REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA DERECHOS RESERVADOS

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1 REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN DE GAS METANO PARA EL SECTOR TINAQUILLO, MUNICIPIO MACHIQUES DE PERIJÁ. (Trabajo especial de grado para optar al Título de Ingeniero Químico) Realizado por: Castellano Valero, Mario José C.I.: Guidici Dominguez, Rosayli Del Valle C.I.: Tutor Académico: Ing. Wilberto Hernández Maracaibo, Abril 2008

2 DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN DE GAS METANO PARA EL SECTOR TINAQUILLO, MUNICIPIO MACHIQUES DE PERIJÁ.

3 Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN DE GAS METANO PARA EL SECTOR TINAQUILLO, MUNICIPIO MACHIQUES DE PERIJÁ. Presentado por: Castellano Valero, Mario José, portador de la C.l. V ; y Guidici Dominguez, Rosayli Del Valle, portador de la C.l. V , para optar al Título de Ingeniero Químico. Ing. Wilberto Hernández C.I.: Tutor Académico MARACAIBO, Abril de 2008 Ing. Oscar Urdaneta Ing. Alfredo Villalobos C.I.: C.I.: Profesor de la Facultad de Ing. Química Profesor de la Facultad de Ing. Química Jurado Jurado Ing. Oscar Urdaneta Ing. José Bohórquez C.I C.I IV

4 Director de la Facultad Ing. Química Decano de la Facultad de Ing. Química DEDICATORIA A Dios por darme fuerzas para seguir adelante y cumplir este sueño. A mi hermano Frederick que siempre está presente en mi corazón y a toda mi familia por darme el apoyo y la motivación para lograr esta meta. li Rosay V

5 DEDICATORIA A Dios Nuestro Señor, por darnos la vida y guiar nuestro camino. A mis padres Lucas y Maleyne, por darme lo mas hermoso de la vida compresión, apoyo y sobre todo amor que solo ustedes como padres pueden regalar. Son la parte fundamental en mi vida. Los Amo Dios los Bendiga! A la memoria de mis abuelos Lucas, Antonio Ramón, María A lejandrina y a la de mi tío Asnulfo por dejarme en vida un legado tan hermoso, y a mi abuela Isabel Josefina por ser tan especial conmigo y ser un ejemplo de lucha. Los Adoro! A mis Tíos que a lo largo mi vida han sido mis padres y mis madres también. Son muy especiales para mí, a ustedes va este triunfo también. Dios los bendiga! A mis hermanos Leandro y Lisandra y a todos mis primos, que mas que familia son mis amigos. Los Amo! A toda mi familia que de una u otra forma me ayudaron a alcanzar esta meta, y a mis amigos que merecen mención especial, por su ayuda desinteresada y apoyo incondicional en los momentos más difíciles. VI

6 Mario AGRADECIMIENTOS Agradecemos a todas aquellas personas que de una u otra forma sirvieron de guía y estímulo para la realización de este Trabajo de Investigación, en especial: Al Ing. Lucas Castellano por darnos su apoyo perseverante en todo el desarrollo de este trabajo de investigación. Al Ing. Wilberto Hernández, gracias por sus tutorías técnicas, por su colaboración y ayuda en los momentos más necesarios. A la Ing. Mónica Molero, gracias por sus tutorías metodológicas, colaboración y paciencia dada en la elaboración de nuestro trabajo de investigación, además de brindarnos su amistad. Mario Castellano Rosayli Guidici VII

7 INDICE GENERAL Pág. APROBACIÓN... IV DEDICATORIA... V AGRADECIMIENTO.. VII INDICE GENERAL VIII LISTA DE CUADROS.. X LISTA DE FIGURAS. XI RESUMEN.. XIII ABSTRACT... XIV INTRODUCCIÓN 1 CAPITULO I EL PROBLEMA Planteamiento del Problema Formulación del Problema Objetivos de la Investigación Objetivo General Objetivos Específicos Justificación e importancia de la investigación Delimitación de la investigación.. 8 II MARCO TEÓRICO Descripción de la Empresa Nombre de la Empresa Aspectos Generales Antecedentes de la Investigación Bases Teóricas Criterios de diseño Materiales y equipos Simulación Planos de planta y detalle Sistema de Variable Definición de Términos Básicos.. 52 III MARCO METODOLÓGICO.. 60 VIII

8 3.1. Tipo de Investigación Diseño de Investigación Técnicas recolección de información Metodología Procesamiento de datos. 73 IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS 74 CONCLUSIONES.. 90 RECOMENDACIONES. 92 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 94 LISTA DE PAGINAS WEB CONSULTADAS ANEXOS A NORMAS COVENIN B NORMAS COVENIN C DIAGRAMA DE FLUJO INICIAL D DIAGRAMA DE FLUJO FINAL E DIAGRAMA DE PRESIÓN F PLANOS DE PLANTA GENERAL G PLANO DE DETALLE H MAPA DEL MUNICIPIO MACHIQUES DE PERIJÁ IX

9 LISTA DE CUADROS Cuadro Pág. No. 1 Mapa de Variables 51 2 Usos del Gas Natural 55 3 Metodología X

10 Figura No. LISTA DE FIGURAS 1 Válvula de Bola Válvula de Compuerta Válvula de Macho Válvula de Globo Válvula de Mariposa Válvula de Diafragma 28 7 Válvula de Apriete 30 8 Válvula de desahogo Codos Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Datos Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Generalidades Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/Detalles Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Resultados/Presiones de la Red Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados/Velocidad de erosión, Velocidad de salida y densidad de salida Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Generalidades Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes XI P ág.

11 Cerradas. Datos/ Detalles Malla Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Resultados/Presiones de la Red Malla 1 y Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Resultados/Presiones de la Red Malla 3 y Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Resultados/Presiones de la Red Malla 5 y Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Resultados/Presiones de la Red Malla Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados/Velocidad de erosión, Velocidad de salida y densidad de salida Malla 1, 2 y Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados/Velocidad de erosión, Velocidad de salida y densidad de salida Malla 4, 5 y Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados/Velocidad de erosión, Velocidad de salida y densidad de salida Malla XII

12 CASTELLANO, Mario y GUIDICI, Rosayli. Diseño de una red de distribución de gas metano para el sector Tinaquillo, Municipio Machiques de Perijá. Trabajo de Investigación para optar al título de Ingeniero Químico. Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo, RESUMEN El objetivo fundamental de la presente investigación, fue diseñar una red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia, estableciendo criterios de diseño, especificando materiales y equipos, simulando y elaborando planos de planta y detalle, para solventar la carencia de este servicio en la población señalada. La investigación está basada en las teorías de los autores Martinez (1999), Romero (2004), Mott (2002), Cook (1999), Scennia (1999), entre otros. La investigación fue un proyecto de tipo factible, con un diseño de campo. La recolección de datos se hizo a través de la revisión documental o bibliográfica, criterios de ingeniería y medición en el campo. La metodología utilizada fue la aplicación de la ecuación de Weymouth (la cual resultó favorable para el cálculo de las caídas de presión en cada tramo) el método de Hardy Cross, la utilización del simulador GASNET y asesorías de especialistas en el área, las cuales permitieron obtener resultados deseados ya que la presión de operación de 40 lpcm ( Kpa) se mantiene en toda la red y la distribución del flujo es apropiada en cada tramo cumpliendo con el método de Hardy Cross. Se concluye que con este sistema de redes de gas de mediana presión se solventará uno de los problemas que afecta a la población del sector Tinaquillo, Parroquia Libertad la cual carece del servicio básico de gas directo por tubería, teniendo así un sistema de gas doméstico eficiente, continuo y seguro, abaratando el costo de la vida. Palabras claves: Red de distribución, Gas Metano, Ecuación de Weymouth, Método de Hardy Cross, Simulador GASNET. XIII

13 CASTELLANO, Mario and GUIDICI, Rosayli. Design of a methane gas distribution network for the sector Tinaquillo, Machiques of Perijá Municipality. Investigation work to apply for the Chemical Engineer degree. University Rafael Urdaneta. Maracaibo, ABSTRACT Main object of this investigation was to design a methane gas distribution network for the Sector Tinaquillo, Parish Libertad of the Machiques of Perijá Municipality of the Zulia State, establishing design criteria, specifying materials and equipments, simulating and conceiving plant and detail plans in order to solve the lack of this service in the population indicated. Investigation is based on theories formulated by authors like Martinez (1999), Romero (2004), Mott (2002), Cook (1999), Scennia (1999), among others. The investigation was a feasible project with a field design. The data collecting was done through the documentary or bibliographical review, engineering criteria and measurement in the field. The methodology used was the application of the equation of Weymouth (which turned out to be favorable for the calculation of the falls of pressure in each section), the Hardy Cross method, the utilization of the GASNET simulator and advising of specialists in the area, which permitted to obtain desired results since the pressure of operation of 40 lpcm ( Kpa) is maintained in all the network and the distribution of the flow is appropriate in each section complying with the Hardy Cross method. It is concluded that with this medium pressure gas networks system one of the problems that affects the population of the sector Tinaquillo, Parish Libertad, which lacks the basic service of direct gas by tubing, will be settled,having thus an efficient, secure and continuous domestic gas system, cheapening the cost of life. Key words: Distribution network, methane gas, equation of Weymouth, Hardy Cross method, GASNET simulator. XIV

14 INTRODUCCIÓN En el mundo y en Venezuela en particular, se están dando rápidas y profundas transformaciones con la utilización global de energía, debido al desarrollo económico de naciones emergentes que ha inducido a un aumento sustancial de consumo de hidrocarburos, lo cual ha obligado a mejorar y optimizar los procesos relacionados con la producción de los mismos. Dentro de este contexto, el gas es un hidrocarburo que permite prestar un servicio a las comunidades, facilitándoles sus labores y la eficiencia con que las realizan. En este sentido se debe resaltar la importancia de diseñar redes de distribución de gas metano, utilizando simuladores que permitan a los expertos del gas desarrollar modelos matemáticos adecuados. En Venezuela, son pocas las poblaciones que poseen el servicio de gas por tuberías que les permita el suministro de este hidrocarburo de manera segura y a un bajo costo donde se realicen diseños de redes de distribución de gas que proporcionen calidad de vida a los pobladores de estas regiones. En esté orden de ideas, la presente investigación se refiere a el diseño de una red de distribución de gas metano para el sector Tinaquillo, Municipio Machiques de Perijá estableciendo criterios de diseño, especificando materiales y equipos, simulando y elaborando planos de planta y detalle de la red de distribución de gas. Para alcanzar el objetivo general, el estudio se estructuró en cuatro (4) capítulos: Capítulo I, denominado El Problema, incluyó el planteamiento, objetivos de la investigación (general y específicos), se desarrolló la importancia de la investigación mediante la justificación de la misma. Se agotó el capítulo con 1

15 la delimitación temporal-espacial del estudio. Capítulo II, titulado Marco Teórico, en el cual se hizo una pequeña descripción de la empresa, revisión de las investigaciones que manejan la variable objeto de estudio, se incluyó además, las bases teóricas que fundamentan la investigación y el sistema de variables. Capítulo III, Marco Metodológico, enfoca a la estrategia metodológica técnica mediante la cual se abordó el estudio; definiéndose el tipo y diseño de investigación, se describieron las técnicas de recolección de información, así como la metodología utilizada para el procesamiento de los datos. Capítulo IV, una vez realizada la simulación se procedió a analizar los resultados de la investigación, donde se expusieron los datos arrojados por la misma, facilitando el análisis e interpretación de los resultados. Finalmente, se presentaron las conclusiones y recomendaciones pertinentes al presente estudio 2

16 CAPITULO I EL PROBLEMA

17 1.1. Planteamiento del problema La primera vez que se registró el uso de gas como combustible fue alrededor del año 900 después de Cristo, cuando los chinos transportaron gas natural a través de tuberías de bambú. El gas natural en los últimos años se ha convertido en uno de los combustibles más utilizados en el mundo, con una importante presencia en América Latina, donde las cuantiosas reservas de este gas hidrocarburo y su bajo impacto ambiental ha impulsado grandes proyectos. En Venezuela, la historia del gas natural, es la de un esfuerzo por lograr que a ese hidrocarburo se le de un uso racional, originando esto la gran explotación de nuestros campos, lo que dio el ímpetu final a la industria del gas como se conoce actualmente. En la actualidad, el gas natural definido según PDVSA (2001), es un combustible que se obtiene de rocas porosas del interior de la corteza terrestre y se encuentra mezclado con el petróleo crudo cerca de los yacimientos. El mismo ha tomado gran importancia, ya que como combustible es más económico y menos contaminante. En los comienzos de la industria petrolera en Venezuela, el gas asociado a la producción petrolera fue considerado como un subproducto de poco uso, por lo que era arrojado a la atmósfera o quemado. Desde el año 1937 hasta 1945 una mínima parte del gas producido se utilizaba para inyectarlo en los yacimientos de petróleo y no fue hasta

18 que se le dio otros usos en la industria petroquímica, refinerías, sector eléctrico, domestico e industrial. En este sentido, es importante señalar que el gas metano es un tipo de gas natural el cual se define como una mezcla de hidrocarburos gaseosos que contiene principalmente metano (CH 4 ). PDVSA GAS (2005), el cual es uno de los combustibles más utilizados a nivel nacional y regional debido a que ha permitido el impulso de proyectos de electricidad, consumo industrial y residencial, generando, en consecuencia, extensas redes locales con requerimientos de actividades de diseño, construcción, instalación y mantenimiento. Dentro de este contexto se evidencia la necesidad de diseñar redes de distribución de gas metano, la cual es la red de tuberías que se utiliza para distribuir este tipo de gas en una ciudad o región. El objetivo principal es de llevar el gas desde los centros de producción hasta los sitios donde se requiere o se consuma, tomando en cuenta para ello los criterios de diseño (caudal, presión, temperatura, velocidad), los materiales utilizados y los equipos empleados, el simulador y las especificaciones técnicas requeridas para dicho diseño. Actualmente el Municipio Machiques de Perijá, Parroquia Libertad, se encuentra carente de unos de los servicios básicos para la población como lo es el gas metano. Debido al incremento poblacional, los entes gubernamentales de dicho Municipio se han visto en la obligación de 5

19 solventar los problemas de viviendas, lo cual ha generado una gran demanda de este servicio básico. De acuerdo a lo planteado anteriormente, existe la necesidad de diseñar una red de distribución de gas metano. Dicho diseño será propuesto para la empresa Lc Diseño, Ingeniería e Inspección C.A. para solventar la carencia del servicio de gas metano en el Sector Tinaquillo de la Parroquia Libertad ubicado en el Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia Formulación del problema Partiendo de la situación descrita surge la pregunta Cómo diseñar una red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia? 1.3. Objetivos de la investigación Objetivo General Diseñar una red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia Objetivos específicos 1. Establecer criterios de diseño de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 6

20 2. Especificar materiales y equipos para el diseño de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 3. Simular la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 4. Elaborar planos de planta y detalle de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia Justificación e importancia de la investigación La investigación que se llevó a cabo es importante debido a que permitió a los investigadores proponer a la empresa Lc Diseño, Ingeniería e Inspección C.A., un diseño de una red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia a través de una herramienta confiable para tomar las decisiones ideales haciendo frente a los escenarios que puedan estar presentes en el diseño de una red de distribución de gas, la cual permitirá satisfacer una necesidad en la población a la que se está destinando el estudio, donde debido a la carencia de este servicio (gas metano), la empresa PDVSA GAS ( ), contempla la gasificación del 88% del país, lo cual le permitirá al Municipio Machiques junto a la población de la Parroquia Libertad en particular, disfrutar de las bondades del mismo involucrando un importante ahorro económico, una alta seguridad, a la vez que incorporará y fomentará pequeñas y medianas empresas. 7

21 Desde el punto de vista teórico, permitirá conocer aspectos importantes relacionados con el diseño de una red de gas metano los cuales pueden ser de gran utilidad para estudios posteriores relacionados con el tema. Asimismo metodológicamente con la realización de esta investigación se crearon procedimientos para diseñar una red de distribución de gas metano, los cuales pueden servir de guía para estudios futuros. Por otro lado, el realizar esta red contribuirá a resolver un problema de suministro de gas para el sector Tinaquillo, abaratando el costo del mismo, generando continuidad del servicio con una mayor eficiencia, y por último la investigación se justifica desde el punto de vista social debido a que se satisfacerá la necesidad que existe en la población antes mencionada de poseer un servicio importante con mayor seguridad a un menor costo y con un menor impacto ambiental, redundando esto en mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en este sector Delimitación de la investigación La presente investigación se desarrolló en el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. En un lapso comprendido desde Septiembre del 2007 a Abril del

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23 CAPITULO II MARCO TEORICO

24 2.1. Descripción de la empresa Nombre de la empresa L.C. Diseño, Ingeniería e Inspección C.A Aspectos generales Ubicación: Avenida 28B # sector La Limpia, Maracaibo-Edo. Zulia, Venezuela. Reseña Histórica: L.C.C.A fue fundada en agosto del año de 1995 por el Ingeniero Lucas Castellano. Registro Primero Circunscripción Judicial del Estado Zulia en el tomo 85A Nº 23 bajo Rif: J ; Nit: Con capital propio. La empresa es diversificada, privada. Desde sus comienzos se ha consolidado como una de las mejores en el ramo del desarrollo de redes de gas doméstico, así como en otras ramas de la ingeniería de proyectos Antecedentes de la investigación En esta sección, se plantearán antecedentes de la investigación donde se encuentran plasmados de manera teórica, aspectos relacionados con el diseño de una red de distribución de gas. 10

25 LC Diseño, Ingeniería e Inspección (2005), elaboró un proyecto titulado Gasoducto de alimentación San José Machiques y construcción de múltiples de regulación y medición La Pastora y Machiques. El objetivo general del proyecto fue transportar el gas depurado y filtrado en la Estación de Distrito San José, ubicada en la Parroquia San José del mismo Municipio hasta la Parroquia Libertad (Machiques) capital del Municipio donde sería regulado y medido en los múltiples de regulación y medición de La Pastora y Machiques para finalmente ser entregado a los clientes a través de las redes de distribución. El proyecto se justificó puesto que dicha aplicación eliminó el problema presentado, el cual fue la carencia del servicio de gas domestico a través de una red de distribución. Se fundamentó en los siguientes autores: Normas COVENIN, Normas SSPC (Steel Structural Painting Council), Resoluciones del Ministerio de Energía y Petróleo, Martínez M.,Gacetas Oficiales, entre otros. La técnica utilizada se basó en la aplicación de Normas y cálculos para el diseño del gasoducto y múltiple de regulación. La metodología utilizada fue el uso de la ecuación de Weymouth y el método de Hardy Cross. Con la construcción del gasoducto se resolvió la problemática del transporte del gas depurado y filtrado de la Parroquia San José hasta la Parroquia Libertad ambas del Municipio Machiques de Perijá para luego entregarlo a los clientes a través de la red de distribución solucionando así, la carencia de dicho servicio básico en está población perijanera. El proyecto antes mencionado se relaciona con este trabajo especial de grado en la aplicación de los métodos y ecuaciones utilizadas para el diseño o cálculo de tuberías y redes de distribución de gas siendo estas las ecuaciones de Weymouth y el método de Hardy Cross.

26 García Roan (2006), realizó un trabajo de investigación de pre-grado titulado Sistemas de redes de gas de mediana presión para el Municipio Machiques de Perijá Parroquia Bartolomé de las Casas. Dicho Trabajo Especial de Grado consistió en desarrollar el diseño de sistemas de redes de gas de mediana presión para el Municipio Machiques de Perijá Parroquia Bartolomé de las Casas. Presentado como objetivos específicos: diagnosticar las condiciones actuales para establecer el sistema de redes de gas, desarrollar la ingeniería de detalles y analizar la factibilidad técnicaeconómica del sistema de red de gas. Justificándose puesto que esta propuesta eliminaría el problema presentado, que fue la carencia de uno de los servicios básicos para la población como lo es el gas doméstico debido al incremento poblacional. Se fundamentó en los autores: Normas COVENIN, Gacetas Oficiales, resoluciones del Ministerio de Energía y Petróleo y PDVSA, Normas FIME, Martínez M., Canales, Chavez, Bavaresco. La técnica de análisis consistió en las aplicaciones de Normas y cálculos relacionadas con el suministro del sistema de red de gas doméstico. La selección de dispositivos y componentes adaptables al diseño, se escogieron apoyándose en los parámetros básicos de presión y longitud de acuerdo a las Normas, además de evaluar las características propias de la zona y la población. La investigación se enmarcó bajo la modalidad de Proyecto Factible. Este diseño fue presentado como una solución viable a uno de los problemas de servicios básicos como lo es el gas doméstico en la Parroquia Bartolomé de las Casas en el Municipio Machiques de Perijá. El trabajo de investigación mencionado anteriormente tiene relación con la presente tesis debido al uso de técnicas de cálculo similares a las que serán utilizadas en este proyecto

27 de investigación. Además, realiza aportes en cuanto al análisis de factibilidad técnico-económico realizado por dicho autor y la selección de materiales y equipos a utilizar en la red de distribución de gas. Ortega, Luis (2006), realizó un trabajo de investigación de pre-grado titulado Diseño de una red de distribución de gas metano para la urbanización El Remanso ubicada en el Municipio San Diego del Estado Carabobo. El objetivo general fue diseñar una red de distribución de gas metano para la urbanización El Remanso del Municipio San Diego, estado Carabobo. La misma se ejecutó en la modalidad de investigación Aplicada, de tipo Descriptiva, bajo un diseño de Campo. La metodología utilizada para el proceso de recolección de datos, fue la observación directa, mediante una lista de cotejo, así como una encuesta bajo la modalidad de cuestionario con diez preguntas, a un grupo de 84 familias que residen en la urbanización. Además se utilizó del método Hardy Cross, conjuntamente con la ecuación de Weymouth para determinar las presiones en cada nodo del sistema. Se concluyó que el diseño de la red de distribución podría ser de gran utilidad para la urbanización El Remanso ofreciendo un servicio eficiente, seguro y económico, lo que fue una solución a los inconvenientes presentados por las empresas distribuidoras al momento de suministrar gas en dicha comunidad. Este estudio aporta a la presente investigación, en lo referente al método y ecuaciones utilizadas para el cálculo de redes de distribución de gas

28 González, Denny (2007), realizó un trabajo de investigación de post-grado titulado Análisis de sistemas de distribución de gas por medio de la aplicación del método de balance de presiones. El trabajo tuvo como objetivo general analizar los sistemas de distribución de gas por medio de la aplicación del método de balances de presiones mediante el uso de un programa computacional. Los objetivos específicos fueron: determinar la aplicabilidad de la información técnica referente a los sistemas de distribución de gas, clasificar las ecuaciones referentes a los sistemas y diseños de redes de gas, construir los pseudocódigos de los métodos matemáticos a utilizar en el análisis de los sistemas de distribución de gas, establecer cada uno de los subsistemas pertenecientes al programa principal, comprobar el funcionamiento y desempeño del simulador, evaluar y comparar los resultados con parámetros operacionales y data de sistemas de distribución de gas analizados por simuladores disponibles en el mercado. La investigación fue de tipo descriptiva, bajo un diseño no experimental. El análisis se logró a través de un lenguaje de programación de alto nivel orientado a objetos. Se concluyó que se diferencia de los lenguajes utilizados en trabajos anteriores que se caracterizan por ser lenguajes secuenciales, razón por la cual la interface desarrollada involucra una serie de herramientas o complementos inherentes al análisis de sistemas de distribución de gas. La base teórica de este estudio, sirve de apoyo a la presente investigación, ya que trata de los sistemas de distribución de gas, lo cual se relaciona directamente con la variable en estudio que es la red de distribución de gas metano.

29 2.3. Bases Teóricas La Red de distribución de Gas o Sistema de Red de Gas, es la red de tuberías que se utiliza para distribuir el gas natural (metano) en una ciudad o región. Se puede hablar de la red de gas de una ciudad, país o de un continente. El objetivo principal es de llevar el gas desde los centros de producción hasta los sitios donde se requiere o se consuma según Marcías Martínez (Cálculo de Tuberías y Redes de Gas p. 4). En una manera más sencilla, Romero G. en la Guía para el Diseño y Cálculo de Redes de Gas Doméstico en Edificaciones p lo define como el conjunto de ramales, redes de tuberías industriales y urbanas, e instalaciones necesarias para la distribución de gas Criterios de diseño Las especificaciones de tuberías son desarrolladas por ingenieros y diseñadores con muchos años de experiencia. Ellos definen los materiales, presiones y temperaturas de trabajos permisibles y todos los servicios por el cual se establecerá el desarrollo del diseño. Para el diseño de una Red de Distribución de Gas Metano, principalmente se deben establecer unos criterios de diseño como lo son caudal, presión, temperatura, velocidad del gas, entre otros.

30 a. Caudal El caudal según es la cantidad de gas o líquido que pasa a través de un orificio controlado durante un período de tiempo determinado. Puede ser expresado en litros por minutos para líquidos, pies cúbicos por hora, pies cúbicos por minutos estos dos últimos para el caso de gases. b. Presión La presión es definida por Mott, R (Mecánica de los Fluidos Aplicada 4ª Edición p ), como la cantidad de fuerzas ejercida sobre un área unitaria de una sustancia. Esto se puede establecer con la ecuación: P = F/A. Donde, P: Presión, F: Fuerza y A: Área. c. Temperatura La temperatura está definida como el grado de calor en los cuerpos. Otra definición es, el estado atmosférico del aire desde el punto de vista de su acción sobre nuestros órganos (Larousse Ilustrado). La Enciclopedia Interactiva Estudiantil Siglo XXI 2000, la define como el nivel térmico de los cuerpos o el ambiente. Dicha magnitud se mide por medio de escalas, ya sean convencionales o absolutas, que se relacionan con el volumen, la presión o cualquier otro parámetro característico del cuerpo con el que se opera.

31 d. Velocidad El término velocidad puede referirse a la velocidad física, distancia recorrida por unidad de tiempo (es.wikipedia.org/wiki/velocidad). Para efectos de diseño en este trabajo la velocidad del gas no debe exceder los 100 pies/seg Materiales y equipos para el diseño de la Red de Gas. Otro paso a ejecutar para el Diseño de una Red de Distribución de Gas, es la especificación de los materiales y equipos para el diseño de la red de gas metano. Para las tuberías y accesorios se utilizó Polietileno de Alta Densidad (PEAD), clase C, negra y resistente a los rayos ultravioletas según Norma ASTM D-12487, ASTM D y COVENIN ; para la red de distribución. En el caso de las líneas de servicio se utilizó tubería de cobre, conexiones de bronce y en otros casos tubería de PEAD en diámetro 20 mm; piezas de transición acero-pead de diámetro ½ pulgada por 20 mm, indicado en el plano de detalle. Es preciso señalar que, que en este paso se especifican también los equipos o instrumentos a utilizar en el diseño de la red de distribución de gas metano como lo son: válvulas, reguladores, manómetros, tees, uniones, codos, tapones entre otros. a. Polietileno El polietileno se define como, homopolímero del etileno, el material plástico de mayor consumo. Es una resina termoplástico, translucida, tenaz y

32 química resistente. El polietileno de alta densidad es el polietileno obtenido por procedimiento de fabricación llamada de baja presión, cuya densidad está comprendida entre y 0.95 g/cm 3 (Romero G. Guía para el Diseño y Cálculo de Redes de Gas Doméstico en Edificaciones.2004 ). b. Acero El acero según la norma UNE es lo siguiente: material en el que el hierro es predominante y cuyo contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2% y contiene otros elementos. Aunque un limitado número de aceros puede tener contenidos en carbono superiores al 2% este es el límite habitual que separa el acero de la fundición. Star Media lo define como una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y sumergido en agua fría adquiere por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros especiales que contienen además, en pequeñísima proporción, cromo, níquel, titanio, volframio o vanadio. Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que ocurre con el hierro. Este resiste muy poco la deformación plástica, por estar constituida solo con cristales de ferrita; cuando se alea con carbono, se forman estructuras cristalinas diferentes, que permiten un gran incremento de su resistencia. c. Bronce Wordreference de manera sencilla, define al bronce como una aleación de cobre y estaño de color amarillo rojizo, muy tenaz y sonoro.

33 d. Cobre La Enciclopedia Interactiva Estudiantil Siglo XXI 2000, le da la da definición al Cobre como el elemento químico perteneciente al grupo IB de la tabla periódica. Su símbolo es Cu, su número atómico 29 y su masa atómica 63,54. Se encuentra en la naturaleza en diversos estados, formando parte de minerales como la calcopirita y la calcosina (sulfuros), la malaquita y la azurita (carbonatos) y la cuprita (óxido). También se encuentra en estado nativo en ciertas aguas minerales. El cobre es un metal rojizo, dúctil y maleable. Su peso específico es de 8,96 kg/dm 3 y funde a 1080 ºC. Posee excelente conductividad eléctrica y térmica y buena resistencia a la corrosión. e. Válvulas Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial, uno o mas orificios o conductos. Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vacío hasta más de lbs/pulg 2 (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 ºF (815 ºC). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.

34 La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección determinada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo. Categorías de válvulas Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvula recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo o de alivio. Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90 y cierra el conducto. Figura 1. Válvula de Bola. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ).

35 Recomendada para: Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. Cuando se requiere apertura rápida. Para temperaturas moderadas. Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. Aplicaciones: Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. Ventajas: Bajo costo. Alta capacidad. Corte bidireccional. Circulación en línea recta. Pocas fugas. Se limpia por si sola. Poco mantenimiento. No requiere lubricación. Tamaño compacto. Cierre hermético con baja torsión (par). Desventajas: Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.

36 Propensa a la cavitación. Las válvulas de aguja son, básicamente, válvulas de globo que tienen machos cónicos similares a agujas que ajustan con precisión en sus asientos. Al abrirlas, el vástago, gira y se mueve hacia fuera. Se puede lograr estrangulación exacta de volúmenes pequeños debido al orificio variable que se forma entre el macho cónico y su asiento también cónico. Aplicaciones: Por lo general, se utilizan como válvulas para instrumentos o en sistemas hidráulicos, aunque no para altas temperaturas. Ventajas: La válvula de aguja está especialmente adaptada para un control muy preciso de bajos volúmenes de flujo. Igual que la válvula de globo, el diseño de apertura permite reemplazar la empaquetadura con la válvula en funcionamiento y totalmente abierta. La válvula de aguja produce buen cierre en servicio con materiales limpios. Desventajas: La caída de presión en estas válvulas es considerable. La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.

37 Figura 2. Válvula de Compuerta. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ). Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación. Para uso poco frecuente. Para resistencia mínima a la circulación. Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería. Aplicaciones Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos. Ventajas Alta capacidad. Cierre hermético. Bajo costo. Diseño y funcionamiento sencillos. Poca resistencia a la circulación.

38 Desventajas Control deficiente de la circulación. Se requiere mucha fuerza para accionarla. Produce cavitación con baja caída de presión. Debe estar cubierta o cerrada por completo. La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco. La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90. Figura 3. Válvula de Macho. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ). Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Para accionamiento frecuente. Para baja caída de presión a través de la válvula. Para resistencia mínima a la circulación. Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.

39 Aplicaciones Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos. Ventajas Alta capacidad. Bajo costo. Cierre hermético. Funcionamiento rápido. Desventajas Requiere alta torsión (par) para accionarla. Desgaste del asiento. Cavitación con baja caída de presión. Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería. Figura 4. Válvula de Globo. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ).

40 Recomendada para Estrangulación o regulación de circulación. Para accionamiento frecuente. Para corte positivo de gases o aire. Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación. Aplicaciones Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas. Ventajas Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento. Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete. Control preciso de la circulación. Disponible con orificios múltiples. Desventajas Gran caída de presión. Costo relativo elevado. La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación.

41 Figura 5. Válvula de Mariposa. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ). Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Servicio con estrangulación. Para accionamiento frecuente. Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos. Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería. Para baja caída de presión a través de la válvula. Aplicaciones Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión. Ventajas Ligera de peso, compacta, bajo costo. Requiere poco mantenimiento.

42 Numero mínimo de piezas móviles. No tiene bolas o cavidades. Alta capacidad. Circulación en línea recta. Se limpia por si sola. Desventajas Alta torsión (par) para accionarla. Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación. Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación. Figura 6. Válvula de Diafragma. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ).

43 Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Para servicio de estrangulación. Para servicio con bajas presiones de operación. Aplicaciones Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos. Ventajas Bajo costo. No tienen empaquetaduras. No hay posibilidad de fugas por el vástago. Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan. Desventajas Diafragma susceptible de desgaste. Elevada torsión al cerrar con la tubería llena. La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o mas elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre si para cortar la circulación.

44 Figura 7. Válvula de Apriete. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ). Recomendada para Servicio de apertura y cierre. Servicio de estrangulación. Para temperaturas moderadas. Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula. Para servicios que requieren poco mantenimiento. Aplicaciones Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos. Ventajas Bajo costo. Poco mantenimiento.

45 No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan. Diseño sencillo. No corrosiva y resistente a la abrasión. Desventajas Aplicación limitada para vacío. Difícil de determinar el tamaño. Una válvula de desahogo es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla. La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles. El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas. Figura 8. Válvula de desahogo.

46 (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento.1999 ). Recomendada para Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones. Ventajas Bajo costo. No se requiere potencia auxiliar para la operación. (Richard W. Green Válvulas. Selección, Uso y Mantenimiento ). Por otro lado, en el sistema de regulación para las líneas de servicio, se usarán reguladores del tipo convencional de fuelle, de cuerpo de aluminio, presión de entrada entre psig, presión de salida entre 7-15 psig, diámetros de entrada y salida de ½ y un caudal de 4 m 3 /h. f. Reguladores Los reguladores de presión son aparatos de control de flujo diseñados para mantener una presión constante aguas a bajo de los mismos. Éste debe ser capaz de mantener la presión, sin afectarse por cambios en las condiciones operativas del proceso para el cual trabaja. La selección, operación y mantenimiento correcto de los reguladores garantiza el buen desempeño operativo del equipo al cual provee el gas. Reguladores Reductores Los reguladores reductores de presión son equipos de control de flujo diseñados para mantener una presión constante aguas debajo de ellos, independientemente de las variaciones de presión a la entrada o los cambios

47 de requerimiento de flujos. La "carcaza" y los mecanismos internos que componen un regulador, automáticamente controlan o limitan las variaciones de presión a un valor previamente establecido. Existen diferentes, marcas, estilos y aplicaciones para la industria del Gas Metano. Algunos tipos están contenidos por contenedores autocontrolados que operan midiendo la presión de línea y manteniéndola en el valor fijado, sin necesidad de fuentes externas de energía. Otros modelos requieren de una fuente externa para ejecutar su función de control de la presión. Éste suplemento muestra los principios de funcionamiento de los reguladores de Gas Metano, sus dos grandes grupos: los "auto operados" y los "pilotados"; así como información importante que facilitará la selección del equipo ideal para cada aplicación. Funcionamiento de los Reguladores de Presión Un regulador es básicamente una válvula de recorrido ajustable conectada mecánicamente a un diafragma. El diafragma se equilibra con la presión de salida o presión de entrega y por una fuerza aplicada al lado contrario, a la cara que tiene contacto con la presión de salida. La fuerza aplicada al lado opuesto al diafragma puede ser suministrada por un resorte, un peso o presión aportada por otro instrumento denominado piloto. El piloto es por lo general, otro regulador más pequeño o un equipo de control de presión. Los reguladores auto operados funcionan bajo el principio de equilibrio de fuerzas. Esencialmente, las fuerzas aplicadas en la zona de alta presión (Pe), aguas arriba, se equilibran o balancean con las fuerzas de la zona de

48 baja presión (Ps), aguas abajo. Este equilibrio de fuerzas es causado por la distribución de la energía (presión) en áreas desiguales, de acuerdo a la siguiente ecuación: F = P.A (Ec.1) Donde; F = Fuerza (Lbf) ó (Nw) A = Area (In²) ó (m²) P = Presión (Lbf / in²) ó (Kpa) De acuerdo a esto (Ec.1), la fuerza que actúa en la zona de baja presión, se distribuye en una superficie más grande que la fuerza que se aplica en la zona de alta presión. Debido a la diferencias de áreas se logra el equilibrio entre ambas zonas (Ec.2). F 1.A 1 = F 2.A 2 (Ec.2) La fuerza a la entrada puede ser considerada como fuerza de apertura, la cual se balancea a su vez con la fuerza de cierre. Para ajustar la presión aguas abajo, se introduce una tercera fuerza en la ecuación, esta fuerza es llamada fuerza de control, ejercida por un resorte o artefacto que suministra una presión o energía adicional. En el caso del regulador esquemático la fuerza de control la suministra un resorte y se considera como parte de la fuerza de apertura. El equilibrio matemático de fuerza se expresaría de la siguiente manera. F entrada + F resorte = F salida (Ec.3)

49 El equilibrio de fuerzas de apertura y cierre de la válvula reguladora se lleva a cabo mientras el equipo opera en estado de flujo estable. Con base en las ecuaciones 2 y 3, se reconoce que si la presión de entrada permanece constante los cambios en la presión de salida son compensados por cambios en la fuerza que aplica el resorte, logrando así el balance. La fuerza ejercida por el resorte se expresa con la siguiente ecuación, conocida como "Ley de Hooke". F = -K. X (Ec.4) Donde, F = Fuerza (lbf) ó (Nw) K = Constante de elasticidad del resorte (Lbf / in) ó (Nw / m) X = Deformación del resorte, (in) ó (m) A medida que el vástago de la válvula reguladora se desplaza, el resorte se deforma. Cambiando de esa manera la fuerza ejercida por el resorte. Los cambios en la fuerza suministrada por el resorte significan cambios en la presión de entrega. Elementos que Componen un Regulador En esencia un regulador está compuesto por tres elementos: 1. Elemento restrictor: orificio de la válvula y tapón. 2. Elemento de medida o sensor: diafragma y conductos u tubing. 3. Elementos de carga: Resorte, gas comprimido o gas regulado suministrado por un piloto.

50 Un regulador típico es una válvula de globo en el cual el vástago se mueve por la interacción de un diafragma. El vástago es solidario al diafragma y el cambio de posición es transferido al vástago, modificando el área de la sección transversal que atraviesa la corriente de flujo. El movimiento del diafragma está "limitado" o "controlado" por un resorte que actúa del lado puesto del área que sensa la presión de entrega o presión a controlar. La presión de entrada actúa sobre el área proyectada del tapón. Para alcanzar el balance de fuerzas, al área del diafragma debe ser mayor que el área proyectada del tapón. En el diseño y fabricación de reguladores, la relación de superficie diafragma / tapón es un factor muy importante para determinar la precisión y sensibilidad del equipo. Tipos de Reguladores Características Existen dos (2) grandes categorías de reguladores: los auto operados y los pilotados o accionados con fuentes externas: Reguladores Auto Operados La principal característica de los reguladores auto operados es que disponen de menos partes móviles. La particularidad de contar con un resorte como único ajuste en la presión de entrega le confiere una ventaja en las labores de operación y mantenimiento, sin embargo esta simplicidad presenta desventajas operativas: a. Desbalance: De acuerdo a la Ecuación 3 al incrementar la fuerza del resorte se aumenta el nivel de presión a la salida. Un cambio en la presión de entrada también afecta la presión de salida. Ello se debe a la relación existente entre el área del diafragma y área tapón orificio.

51 (por ejemplo una variación de 100 psig., en la presión de entrada, en un regulador cuya relación área / diafragma tapón orificio sea de 100:1, significa una variación en la presión de entrega de 1 psig.). b. Decaimiento de presión: es el cambio de la presión de salida por efecto del desplazamiento del vástago. En equilibrio, cuando el regulador está cerrado, el resorte imprime una fuerza de acuerdo a la Ley de Hooke (Ec.4). a medida que el vástago de la válvula se desplaza, el resorte se deforma, modificando la fuerza que transmite al diafragma. Los cambios en la fuerza que imprime el resorte, implica a su vez cambios en la presión de salida. Si la fuerza del resorte a lo largo del desplazamiento del vástago permaneciera constante, no se presentaría el efecto de decaimiento de presión. Éste efecto es de particular relevancia en servicios de alta presión donde se requieren resortes de alta resistencia. En estos casos el fabricante ofrece una variedad de rangos, donde debemos seleccionar aquél que implique menos deflexión del resorte para el nivel de presión de entrega a regular. c. Error de medición: de acuerdo a las características internas del regulador, existe una determinada caída de presión a lo largo del recorrido del fluido por los ductos internos del equipo. Esta caída interna de presión se incrementa a medida que crece el caudal que fluye por el artefacto. Los cambios internos de presión, por efecto del flujo, causan inexactitudes en la medición de la presión de salida por parte del diafragma, variando la presión de ajuste del regulador. d. Recuperación de presión: cuando un regulador de presión abre completamente, requiere de una fuerza adicional que devuelva al vástago a su posición original o de cierre hermético. Esa fuerza adicional es suministrada por la presión de entrada y por otro resorte (reten). En ambos casos la fuerza de retorno implica una fuerza de

52 entrada adicional que afecta la presión de salida. El efecto es importante cuando el requerimiento de flujo es inestable y no se desean cambios en la variación de la presión de entrega. Estos efectos son considerados en el diseño de un regulador y debe buscarse su compensación a la hora de seleccionar el equipo apropiado para cada caso. (Por ejemplo, seleccionando el resorte con un rango de operación cercano al margen de trabajo práctico podremos lograr que el decaimiento no sea muy alto y que éste, a su vez, contribuya a la recuperación de presión y no afecte en gran medida a la presión de entrega. No obstante, cuando el proceso exige márgenes muy cortos de variación se recomienda el uso de reguladores pilotados). Reguladores Pilotados Los reguladores pilotados están conformados por un pequeño regulador, o piloto, que es utilizado como control del regulador principal. El piloto, amplificador o multiplicador tiene la habilidad de traducir los pequeños cambios en la presión aguas abajo, en grandes cambios aplicados sobre el instrumento de medida (diafragma). El incremento relativo de la presión de salida del piloto versus el cambio en la presión de entrega del regulador principal se le denomina ganancia. (Por ejemplo, si el cambio de 1 psig., del regulador principal significa un cambio de 10 psig., en la presión de salida del piloto, quiere decir que el piloto tiene una ganancia de 10). El fenómeno de ganancia le confiere al regulador pilotado, su exactitud (por ejemplo un regulador que tenga un decaimiento de presión del 10 psig.,

53 con apertura completa, si se le adiciona un piloto con una ganancia de 20, el decaimiento se convierte en 10 / 20 = 0,5 psig.). Una alta ganancia del piloto permite el movimiento rápido del vástago, desde el nivel de completamente cerrado a completamente abierto, con el mínimo cambio de presión aguas abajo; permitiendo una regulación más precisa dentro del margen del flujo. El incremento de la sensibilidad del piloto y la reducción del decaimiento de presión es una ventaja relativa. La ganancia del piloto incrementa sensibilidad, causando el incremento de la ganancia de todo el sistema. Esto puede causar inestabilidad en lazos de regulación o regulaciones en serie, manifestándose como fluctuaciones periódicas o golpeteo en el más mínimo cambio de presión en el sistema. Una ganancia muy pequeña resulta en una respuesta lenta del regulador, la cual se manifiesta como variaciones por defectos o exceso de la presión de entrega. Para garantizar una correcta operación, el piloto debe ser configurado y seleccionado acorde con el regulador principal. Las conexiones y elementos de medición de presión deben tener un arreglo que permitan el control y ajuste de la presión de entrega adecuadamente, es decir, se debe contemplar la instalación de orificios o válvulas de aguja, así como válvula de alivio o de cierre rápido. Los primeros permitirán la puesta a punto en campo de los equipos y los segundos protegerán el sistema en caso de fallas. El piloto, por lo general, es un regulador pequeño y económico, comprado con el regulador principal. Esto permite una gran flexibilidad para ajustar parámetros que afecten el desempeño del sistema. Modificando el piloto se puede se puede adaptar el regulador principal a las condiciones específicas

54 de nuestro proceso. (Por ejemplo, la sensibilidad puede ser ajustada cambiando el orificio del piloto). Existen muchas opciones y arreglos en reguladores pilotados y al manejar sistemas de regulación en serie o en paralelo, la gama de alternativas para eliminar cualquier problema o desajuste es bastante amplia (Romero G. Guía para el Diseño y Cálculo de Redes de Gas Doméstico en Edificaciones.2004 ). g. Manómetros. En el mismo orden ideas, se hace notable destacar el uso de los medidores de presión o manómetros. Según Romero G. en su Guía para el Diseño y Cálculo de Redes de Distribución de Gas Doméstico en Edificaciones 2004, un manómetro es un tubo; casi siempre doblado en forma de U, que contienen un líquido de peso específico conocido, cuya superficie se desplaza proporcionalmente a los cambios de presión. Tipos de Manómetros Los manómetros son de dos tipos, entre los cuales tenemos: a.-) Manómetros del tipo abierto; con una superficie atmosférica en un brazo y capaz de medir presiones manométricas. b.-) Manómetros diferencial; sin superficie atmosférica y que sólo puede medir diferencias de presión. En el ámbito de conexiones utilizadas en la red de distribución de gas metano específicamente en las tuberías las tees y los codos son esenciales en este tipo de trabajo.

55 Los acoplamientos o accesorios para conexión se clasifican en: de derivación, reducción, ampliación y desviación. Los accesorios como tees, cruces, codos con salida lateral, etc.; pueden agruparse como accesorios de desviación. Los conectores de reducción o ampliación son aquellos que cambian la superficie de paso del fluido. En esta clase están las reducciones y los manguitos. Los accesorios de desvío, curvas, codos, curvas en U, etc., son los que cambian la dirección de flujo. Se pueden combinar algunos de los accesorios de la clasificación general antes mencionada. Además, hay accesorios como conexiones y uniones que son resistentes al flujo (Crane, Flujo de Fluidos en Válvulas, Accesorios y Tuberías ). h. Tee La tee es un artículo o accesorio utilizado para la unión de tres tubos en un plano. Su nombre se debe a que su forma es similar a la letra T (Babilón Spanish-English Dictionary). i. Codos En el caso de los codos, son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección del flujo de las líneas tantos grados como lo especifiquen los planos o dibujos de tuberías. TIPOS. Los codos estándar son aquellos que vienen listos para la pre-fabricación de piezas de tuberías y que son fundidos en una sola pieza con características específicas y son:

56 Codos estándar de 45 Codos estándar de 90 Codos estándar de 180 Características Figura 9. Codos y Tees. ( Diámetro. Es el tamaño o medida del orificio del codo entre sus paredes los cuales existen desde ¼'' hasta 120". También existen codos de reducción. Angulo. Es la existente entre ambos extremos del codo y sus grados dependen del giro o desplazamiento que requiera la línea. Radio. Es la dimensión que va desde el vértice hacia uno de sus arcos. Según sus radios los codos pueden ser: radio corto, largo, de retorno y extralargo. Espesores una normativa o codificación del fabricante determinada por el grosor de la pared del codo. Aleación. Es el tipo de material o mezcla de materiales con el cual se elabora el codo, entre los más importantes se encuentran: acero al carbono, acero a % de cromo, acero inoxidable, galvanizado, etc.

57 Junta. Es el procedimiento que se emplea para pegar un codo con un tubo, u otro accesorio y esta puede ser: soldable a tope, roscable, embutible y soldable. Dimensión. Es la medida del centro al extremo o cara del codo y la misma puede calcularse mediante formulas existentes. Información colaborada por: Enrique Zerpa j. Tapones Los tapones son accesorios utilizados para bloquear o impedir el pase o salida de fluidos en un momento determinado. Mayormente son utilizados en líneas de diámetros menores. Tipos Según su forma de instalación pueden ser macho y hembra. Características Aleación. Son fabricados en mezclas de galvanizado, acero al carbono, acero inoxidable, bronce, monel, etc. Resistencia. Tienen una capacidad de resistencia de 150 libras hasta 9000 libras. Espesor. Representa el grosor de la pared del tapón. Junta. La mayoría de las veces estos accesorios se instalan de forma enroscable, sin embargo por normas de seguridad muchas veces además de las roscas suelen soldarse. Los tipos soldables a tope, se utilizan para cegar

58 líneas o también en la fabricación de cabezales de maniformes. Información colaborada por: Enrique Zerpa. Otros de los accesorios especificados son las uniones, ya que estas juntas permiten una fácil instalación, remoción o reemplazo de tuberías, válvulas, etc. En sistemas roscados; se utilizan cuando se prevé un desmontaje futuro, continuación de tuberías y para facilidad de mantenimiento. Las hay de enchufe soldado o roscadas (Cook Franklin Curso Diseño de Tuberías.1999 ) Simulación Para la obtención de los cálculos finales de la red, se utiliza un simulador (en este caso GASNET), donde se debe desarrollar un flowsheet o diagrama de flujo. Simulación es una técnica numérica para conducir experimentos en una computadora digital. Estos experimentos comprenden ciertos tipos de relaciones matemáticas y lógicas, las cuales son necesarias para describir el comportamiento y la estructura de sistemas complejos del mundo real a través de largos periodos de tiempo (Thomas H. Taylor). Una definición más formal formulada por R.E. Shannon, es el proceso de diseñar un modelo de sistema real y llevar a términos experiencias con él mismo, con la finalidad de comprender el comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias dentro de los límites impuestos por un cierto criterio o un conjunto de ellos, para el funcionamiento del sistema.

59 Las principales ventajas de la simulación son las siguientes: experimentar a bajo costo, con posibilidad de minimizar el tiempo y estimar rápidamente el impacto de un cambio de una variable del proceso. Los simuladores de procesos pueden dividirse en varios tipos de acuerdo a como se plantee el modelo matemático que representa el modelo a simular. El método más usado en los procesos de simulación es la Aproximación Modular Secuencial y en él se desarrolla una subrutina para cada tipo de equipo, la cual calcula sus corrientes de salida teniendo como datos las de entrada y los parámetros del mismo. Scennia, N. (1999). Los diagramas de flujo representan la forma más tradicional para especificar los detalles algorítmicos de un proceso. Se utilizan principalmente en programación, economía y procesos industriales; estos diagramas utilizan una serie de símbolos con significados especiales ( se dice que es la representación gráfica de los pasos de un proceso, que se realiza para entender mejor al mismo. El simulador Gasnet para el Cálculo de Redes de Gas se basa en la Ecuación de Weymouth y el Método de Hardy Cross. Thomas R. Weymouth, fue uno de los primeros en desarrollar una ecuación para el flujo de gas, que permita calcular razonablemente el diámetro requerido de tubería de gas. La ecuación que lleva su nombre fue deducida a partir de datos operacionales. Desde que esta relación fue presentada, ha sido extensamente probada y muchas personas han propuesto modificaciones y diferentes técnicas de aplicación que han ido mejorando su exactitud y utilidad.

60 Hoy, estas versiones mejoradas encuentran amplia aplicación en la industria del gas, conjuntamente con otra relación conocida como la fórmula Panhandle. Esta ecuación y algunas otras han sido derivadas por Jhonson y Berward, a partir de un balance de energía que concluye en que todas estas relaciones caen dentro de la fórmula general: Q En su forma más simple, h 2 2 Tb ( ) ( P1 P2 ) * * 5 * d = (Ec. 5) P γ * T * L * f b C * d * L f 2 2 [ P P ] 1 / 2 8 / Q AB = (Ec. 6) 1 / 2 Donde: Q h = tasa de flujo, pies cúbicos por hora a T b y P b. T b = temperatura base o de contrato (ºR) normalmente 520 ºR. (60 F) P b = presión base o de contrato, psig. (14,696psi) P 1 = presión de entrada al sistema considerado, psig. P 2 = presión de salida al sistema, psig. d = diámetro interno de la tubería, en pulgadas. ץ = gravedad especifica del gas (aire = 1,0).

61 (ºR). T f = temperatura promedio del gas en el sistema en condiciones de flujo, L = longitud de la tubería, kilómetros. f = coeficiente de fricción. (Marcias, M Cálculo de tuberías y redes de gas p ) El fundamento matemático de la mayoría de los métodos de cálculo utilizados en redes de gas tienen su base en la teoría general de Hardy Cross que, a su vez, proviene de una aplicación directa de las leyes de Kirchoff, las cuales establecen lo siguiente: En todo nodo, la sumatoria algebraica de los flujos que entran y salen es igual a cero (0). En un circuito cerrado o red, la suma algebraica de las pérdidas de carga es igual a cero (0). El procedimiento para cerrar redes de gas se basa en el cálculo de un ajuste (ΔQ 0 ), para un caudal de flujo (Q 0 ) previamente asignado, de tal manera que la nueva tasa de flujo, en el tramo referido será: Q n = Q 0 + ΔQ 0 (Ec. 7) Donde: Q n = es el caudal corregido ΔQ 0 = es la corrección Q 0 = es el caudal original asignado al tramo. (Marcias, M Cálculo de tuberías y redes de gas p ).

62 El simulador arroja como resultado además de los caudales y las presiones de cada tramo, las longitudes equivalentes de tuberías. En ciertas circunstancias, es a menudo y deseable y conveniente describir un sistema de tuberías o secciones de estas, en términos de una longitud equivalente de tuberías de diferentes diámetros. En tales casos, donde se considere una cierta tubería y su equivalente, todas las propiedades físicas del gas tales como: temperatura base, presión base, temperatura de flujo, capacidad y caída de presión son idénticas. Las variables son el diámetro interno y la longitud. Se deduce que a mayor diámetro interno, mayor será la longitud a través de la cual la mencionada capacidad será conducida con una cierta caída de presión previamente determinada (Martínez, M. Cálculo de Tuberías y Redes de Gas p. 22 ). Para líneas paralelas de igual longitud (L AB =L b =L c ), las cuales deben expresarse en términos de su longitud equivalente (L E ), así: 8 / 3 d E L E * L 8 / 3 8 / 3 db d + E = (Ec. 8) (Martínez, M. Cálculo de Tuberías y Redes de Gas, 1999) 2 AB El diámetro equivalente, es un artificio de cálculo que se puede utilizar para conocer el número de tuberías pequeñas, arregladas en paralelo, que forman un lazo, como en el caso de tuberías múltiples bajo agua o cualquier otro sistema equivalente. Para el caso que corresponde a este trabajo de investigación, las cuales son sistemas de tuberías paralelas de diámetros diferentes, el diámetro equivalente para dos tuberías en paralelo es:

63 8 / 3 T 8 / 3 A 8 / 3 B d = d + d (Ec. 9) (Martínez, M. Cálculo de Tuberías y Redes de Gas, 1999) Planos de planta y detalle Finalmente, se elaboran los planos de planta y detalles con el fin de especificar la red de distribución de gas metano. Plano es la representación gráfica en una superficie y mediante procedimientos técnicos, de un terreno, de un edificio, etc. La planta es la figura que forman sobre el terreno los cimientos de un edificio o la sección horizontal de las paredes en cada uno de los diferentes pisos ( Los planos de detalle tienen como finalidad establecer alineaciones, completando las que ya estuvieren señaladas en el suelo urbano por el Plano general, normas complementarias y subsidiarias de planeamiento o proyecto de delimitación de suelo urbano, en las condiciones que estos documentos de ordenación fijen, y reajustar y adaptar las alineaciones previstas en los instrumentos de ordenación citados, de acuerdo igualmente con las condiciones que al respecto fijen. ( Sistema de Variable

64 Definición Conceptual: es la red de tuberías que se utiliza para distribuir el gas natural en una ciudad o región. Se puede hablar de la red de gas de una ciudad, país o de un continente. El objetivo principal es de llevar el gas desde los centros de producción hasta los sitios donde se requiere o se consuma. (Marcías, M. Cálculo de tuberías y redes de gas p ). Definición Operacional: es un sistema de tuberías ubicadas en el dominio público (calles y avenidas) entrelazadas entre sí que permiten distribuir el gas desde la estación de distrito hasta los clientes.

65 Mapa de Variables Objetivo General: Diseñar una red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. OBJETIVOS ESPECÍFICOS VARIABLE DIMENSION INDICADORES 1. Establecer criterios de diseño de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 2. Especificar materiales y equipos para el diseño de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 3. Simular la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 4. Elaborar planos de planta y detalle de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. Red de Distribución de Gas Metano Criterios de Diseño de la Red de Distribución de Gas Metano Materiales y equipos Simulación de la Red de Gas Caudal Presión Temperatura Velocidad Polietileno de Alta Densidad Acero Bronce Cobre Válvulas Reguladores de Presión Manómetros Tee Codos Tapones Diagrama de Flujo Corrida del Simulador Planos de Planta y Detalle Especificaciones Técnicas Cuadro Nº 1. Mapa de Variables. Fuente: Castellano y Guidici (2008)

66 2.5.- Definición de Términos Básicos Acometida: Toma de gas, generalmente colocada en la acera y conectada a la red de distribución de gas de mediana presión, ubicada en sitio público, que incluye una tanquilla, válvula y una junta aislante que conecta la red de distribución con la tubería de la vivienda. (Normas para la Instalación de Sistema de Gas Natural en Edificaciones y para la Construcción de Red de Gas en la Ciudad 1970 p.4). Estación de Distrito: Son aquellas instalaciones colocadas entre la tubería de alimentación y las redes de distribución. Sus funciones principales son las de limpieza, Odorización, regulación y medición del gas (Normas para la Instalación de Sistema de Gas Natural en Edificaciones y para la Construcción de Red de Gas en la Ciudad). Estación Reguladora: Ubicadas entre la tubería de alimentación y las redes de distribución. Tiene la única función de regulación del gas de alta presión, a la presión de distribución (60psig.) (Normas para la Instalación de Sistema de Gas Natural en Edificaciones y para la Construcción de Red de Gas en la Ciudad).

67 Gas: Sustancia en uno de los tres estados diferentes de la materia ordinaria, que son el sólido, el líquido y el gaseoso. Los sólidos tienen una forma bien definida y son difíciles de comprimir. Los líquidos fluyen libremente y están limitados por superficies que forman por sí solos. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos. (La industria del gas en Venezuela CORPOVEN filial de PDVSA 1988 p.6). Gas Metano: Mezcla de hidrocarburos gaseosos que contienen principalmente metano (CH4) y cumple, a su vez, con las especificaciones de las normas técnicas aplicables para su transporte y comercialización, que puede ser obtenido a través del tratamiento, procesamiento o mezcla del gas, de la refinación del petróleo o de la explotación directa de los yacimientos de hidrocarburos naturales o de otros fósiles. (Ley Orgánica de Hidrocarburos Gaseosos 2000 p.32). Gas Natural: Se denomina gas natural al formado por los miembros más volátiles de la serie parafínica de hidrocarburos, principalmente metano, cantidades menores de etano, propano, butanos, pentano, hexano, hasta el heptano llamado (C 7 +), y finalmente, puede contener en varias cantidades, gases no hidrocarburos, como dióxido de carbono (CO 2 ), sulfuro de hidrógeno o ácido sulfhídrico (H 2 S), nitrógeno, helio, vapor de agua, etc.

68 El gas natural es un combustible que se obtiene de rocas porosas del interior de la corteza terrestre y se encuentra mezclado con el petróleo crudo cerca de los yacimientos. Como se trata de un gas, puede encontrarse sólo en yacimientos separados. La manera más común en que se encuentra este combustible es atrapado entre el petróleo y una capa rocosa impermeable. En condiciones de alta presión se mezcla o disuelve aceite crudo. (Programa de Educación Petrolera PDVSA 2001 p.2). Propiedades del Gas Natural: El gas natural es un combustible fósil, lo que significa que se deriva de algún material orgánico depositado y enterrado en la tierra hace millones de años. El componente principal del gas natural es el metano. Además, pueden hallarse en el gas natural pequeñas cantidades de nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, componentes de azufre y agua. El proceso de enfriamiento y condensación del gas natural para convertirlo en el GNL (licuación) requiere que los componentes no metanos, por ejemplo, el dióxido de carbono y el azufre, se eliminen. El resultado final de este proceso es un producto sumamente puro de combustión limpia y eficiente para transportar y almacenar. (La Industria del Gas en Venezuela CORPOVEN filial de PDVSA 1988 p.7).

69 Usos del Gas Natural: El gas natural se utiliza como materia prima o como combustible en los sectores industrial, petroquímico, termoeléctrico, doméstico, comercial y de transporte terrestre. Sus principales usos por sector son los siguientes: SECTOR USOS Industrial -Refinerías de petróleo Petroquímico -Industria del vidrio -Industria alimenticia -Urea -Alcoholes Termoeléctrico -Etileno - Plantas de ciclo combinado Doméstico y comercial - Calderas (turbinas a vapor) -Cocinas -Refrigeración y acondicionamiento de aire Cuadro Nº 2. Usos del Gas Natural. Fuente: La Industria del Gas en Venezuela CORPOVEN filial de PDVSA (1988). Tipos de Gases Naturales:

70 Gas Rico (húmedo): Es aquel que esta compuesto principalmente por la serie parafínica de hidrocarburo y por los componentes pesados de esta serie (del propano en adelante son pesados). En los sistemas de compresión (plantas) se refiere a la cantidad de agua que contenga el gas a comprimir. (Programa de Educación Petrolera PDVSA 2001 p.12). Gas dulce: Es aquel gas que contiene solamente hidrocarburos de la serie parafínica, no presenta ninguna impureza ó bajo proporción de impurezas. (Programa de Educación Petrolera PDVSA 2001 p.12). Gas Agrio: Es aquel que contiene cantidades de hidrocarburos más impurezas de sulfuro de hidrógeno. (Programa de Educación Petrolera PDVSA 2001 p.12). Gas Ácido: Es aquel que contiene cantidades apreciables de sulfuro de hidrógeno y CO 2 por lo tanto es muy corrosivo. (Programa de Educación Petrolera PDVSA 2001 p.12). Gas Pobre (seco):

71 Esta formado principalmente por metano y por muy pocos hidrocarburos factibles de licuar. Presentando además cantidades apreciables de CO 2. (Programa de Educación Petrolera PDVSA 2001 p.12). Gas Doméstico: Es aquel gas natural limpio y odorizado que es utilizado por el usuario como combustible (Normas para la Instalación de Sistema de Gas Natural en Edificaciones y para la Construcción de Red de Gas en la Ciudad). Valor Calorífico Bruto (VCB): El poder calorífico del gas natural es variable y depende de su composición: cuanto mayor sea la cantidad de gases no combustibles que contenga, menor será el valor calorífico. Además, la masa volumétrica de los diferentes gases combustibles influye sobre el valor calorífico de gas natural. Cuanto mayor sea la masa, mayor será la cantidad de átomos de carbono para el gas considerado y, por consiguiente, mayor será su valor energético. Diversos análisis sobre el valor calorífico del gas natural son realizados en cada etapa de la cadena del producto. Se utilizan para esto analizadores con proceso cromatográfico del gas, para poder realizar análisis fraccionales de las corrientes de gas natural, separando el gas natural en sus componentes identificables. Los componentes y sus concentraciones se convierten en valor calorífico bruto en unidades de energía (BTU, Kcal.).

72 El Valor Calorífico Bruto es la energía liberada por cada 1000 pies 3 de gas natural considerando los contaminantes del gas como el CO 2, H 2 O y N 2 (Ingeniería de gas, principios y aplicaciones. CEPET 1996 ). Valor Calorífico Neto (VCN): Energía liberada por cada 1000 pies 3 de gas natural sin las impurezas del gas como el CO 2, H 2 O y N 2 (Ingeniería de gas, principios y aplicaciones. CEPET 1996 ). Contenido liquido en el Gas Natural (GPM): Galones de líquido por cada 1000 pies 3 de gas natural. Medida del contenido de componentes hidrocarburos factibles de licuar (Ingeniería de gas, principios y aplicaciones. CEPET 1996 ). Gasoducto de Alimentación: También llamado tubería de alimentación, es una tubería de acero conductora de gas natural perteneciente a la red y ubicada en el dominio público, la cual transporta gas de los gasoductos, hasta las estaciones reguladoras y/o de distrito pertenecientes a la red (Normas para la Instalación de Sistema de Gas Natural en Edificaciones y para la Construcción de Red de Gas en la Ciudad).

73 Planimetría: La planimetría tiene como objetivo la representación bidimensional del terreno proporcionándole al usuario la posibilidad de proyectar su trabajo sobre un papel o en pantalla sin haber estado antes en el sitio físico del proyecto. El fin de la planimetría es que el usuario tenga un acceso a la información del predio; por ejemplo, saber qué cantidad de terrenos desocupados se encuentran en el lugar, o qué cantidad de postes telefónicos necesita para ampliar su red, o qué cantidad de cable necesita para llegar hasta un cliente, o emplearlo en soluciones, o utilizarlo como plataforma de archivos GIS. En otras palabras, permite el usuario visualizar de forma clara y con gran exactitud la información que se encuentra dentro de su proyecto. Existen distintos tipos de planimetría, que van de la más básica a la más completa. La elección del tipo de planimetría depende del tipo de información que el usuario vaya a necesitar para su proyecto. (lycos.es/geografia2/twodesphotos.html).

74 CAPITULO III MARCO METODOLÓGICO

75 3.1. Tipo de Investigación Según Rodríguez et al (2003), citado por Finol et al (2006) los proyectos factibles constituyen propuestas para transformar una realidad, al cubrir una necesidad o solucionar un problema, aportando el diseño o creación de un modelo. Por lo tanto, el presente trabajo de investigación se considera un proyecto de tipo factible, ya que permitirá satisfacer una necesidad en la población de Tinaquillo Municipio Machiques de Perijá, la cual se encuentra carente del servicio de gas metano a través de una red de distribución, permitiendo obtener el mismo a un precio más bajo Diseño de Investigación Toda investigación para dar respuesta a los objetivos que persigue y las inquietudes que se originan, debe desarrollar un diseño. El término diseño se refiere, Hernández et al (2003), al plan o estrategia que se desarrolla para obtener la información que se requiere en una investigación. En este orden de ideas, Finol et al (2006), define el diseño de campo como los métodos a emplear cuando los datos de interés se recogen en forma directa de la realidad. Es preciso señalar que, Sabino (1992) dice que los diseños de campo son los que se basan en informaciones o datos primarios, obtenidos directamente de la realidad. Posteriormente añade que, los diseños de campo más frecuentes son: el diseño experimental, el diseño post-facto, el diseño encuesta, el diseño panel y el diseño de casos. Por tal motivo, el tipo de diseño es de campo, ya que la información se recolectará directamente en el campo de estudio, donde ocurren los hechos. 61

76 3.3. Técnicas de recolección de información Para la elaboración de esta investigación, se utilizó para la recolección de datos, la revisión documental o bibliográfica, criterios de ingeniería y medición en el campo. La bibliografía comprende La Ley Orgánica de Hidrocarburos Gaseosos, Normas COVENIN (Comisión Venezolana de Normas Industriales), GPSA Gas Processors Supliers Association Asociación de Procesadores y Suplidores de Gas ), American Society of Mechanical Engineers (ASME) B31.8, Programa Educación Petrolera PDVSA, Guía para el Diseño y Cálculo de Redes de Gas Doméstico en Edificaciones, Gacetas Oficiales, Resoluciones del Ministerio de Energía y Petróleo (MEP), PDVSA GAS y Estadísticas del Instituto Nacional de Estadísticas. Permitiendo la obtención de información y criterios bases de diseño como poblaciones futuras, caudales, consumos de gas por viviendas, comercios, números de viviendas, longitudes equivalentes de tubería, velocidad de erosión del gas, gravedad específica del gas, presión del alimentador, velocidad del gas y temperatura del ambiente. Además de la especificación de materiales y equipos como el material de la tubería, instrumentos de control y conexiones. El número de viviendas fue obtenido a partir de datos suministrados por la Alcaldía del Municipio Machiques de Perijá y el Consejo Zuliano de Planificación (CONZUPLAN) (basado en el censo de 2001), la cual contempla un número de 1540 viviendas y 10 comercios, que permiten conocer el consumo de gas por vivienda y comercio como flujo de diseño para la posterior construcción de las acometidas domésticas. Para ello, se aplica una rata de consumo de gas para cada usuario de 40.0 m 3 /mes (47 62

77 ft 3 /día) (resolución 323 del MEP), a condiciones normales (60ºF, 14.7 psi) con un factor de simultaneidad de 100% para los usuarios domésticos. En este caso particular se usaron 80 pies cúbicos normales diarios (recomendado por PDVSA GAS). En el caso de clientes comerciales se utilizó un caudal de 25.0 m 3 /hr (COVENIN Instalaciones de Sistemas de Tuberías para el suministro de Gas Natural en Edificaciones Residenciales y Comerciales). En todo proyecto de desarrollo, las proyecciones de la población son un requisito indispensable, ya que sobre esta base se proyectan y diseñan todos los sistemas de infraestructura, los cuales componen en definitiva la totalidad del proyecto. En el presente caso, las proyecciones son necesarias, dado que a partir de ella se estimaron los caudales y presiones de gas que se toman como base para el diseño del sistema de la red de gas. Para el cálculo de las proyecciones de población, se utilizó el método de expansión normal y rápida, expresado por la fórmula: Futura Actual ( T ) n P = P 1+ ( C Donde, P Futura : Población estimada al final del período de diseño. P Actual : Población del año del período de diseño (para el año Hab.) Tc: Tasa de crecimiento interanual (según censo 2001 del Instituto Nacional de Estadística 3.5%). n: Intervalo entre el año inicial y el final del periodo de diseño (proyectado a 25 años). 63

78 La población futura sirvió para determinar el flujo de diseño de la Red de Distribución de gas metano, mediante la suma algebraica del caudal residencial y del caudal comercial. Para el caudal residencial se necesito del número de viviendas futuras para ello se multiplicó el número de habitantes futuros por el número de habitantes por vivienda (5.5 hab./viviendas según Instituto Nacional de Estadística 2002). Como siguiente paso, el número de viviendas obtenido se multiplicó por el caudal doméstico recomendado por PDVSA GAS de 80 pies cúbicos diarios. En el caso del caudal comercial, luego de obtener el número de comercios en la población de Tinaquillo, se multiplicó por el flujo de 25 m 3 /hr recomendado por COVENIN (Instalaciones de sistemas de tuberías para el suministro de Gas Natural en edificaciones Residenciales y Comerciales). Otras bases de diseño, fueron tomadas directamente del campo como la temperatura ambiente, las presiones y longitudes que conformaron los tramos de la red. La temperatura fue leída en la Estación de Distrito San José la cual cuenta con un termo pozo. Las presiones fueron medidas en la Estación de Distrito Machiques que suministrará el gas a la población del sector Tinaquillo y la medición de los tramos de la red fueron realizadas simultáneamente con la revisión del plano de planta general existente aprovechando el curso a través de las calles del Sector estudiado. La gravedad específica del gas a condiciones normales es de 0.67 siendo otro dato importante para el diseño de la red. Para el diseño de la red se consideró la longitud equivalente, ya que se instalarán tuberías paralelas, una en cada lado de la calle o avenida, a objeto de facilitar la acometida a los usuarios y minimizar los cortes de circulación vehicular. 64

79 El gas para el Sector en Cuestión será suministrado desde el Alimentador de Diámetro 110 mm procedente a 3.40 kilómetros desde la Estación de Distrito (Múltiple de Regulación y Medición Machiques) ubicada en los terrenos del sector Las Vegas adyacente a la misma población Perijánera. El punto de alimentación o entrega, está caracterizado por una presión Inicial Máxima (Norma COVENIN Tubos de polietileno de alta densidad para la conducción de gas natural ), Presión Inicial Mínima y un flujo de diseño. Además de la utilización de válvulas y bridas basados en el código ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems (2002). La presión de operación se espera mantener en toda la red alrededor la presión inicial mínima en el punto de alimentación, de tal manera la red pueda ser expandida para planes futuros de dotación del servicio básico de gas doméstico y ajustado al crecimiento de la población de la Parroquia Libertad. Luego de haber recopilado los datos de la población, realizado los estudios técnicos y topográficos, incluyendo ubicación política de la localidad, características geográficas, vías de comunicación y planos existentes se procedió al levantamiento de los planos. Inicialmente, con los planos de planta general existentes del Sector Tinaquillo del Municipio Machiques de Perijá suministrados por la Alcaldía del Municipio en referencia a través de su órgano catastral, se procedió a la verificación en el campo con el objetivo de realizar la revisión correspondiente a dichos planos. Como segundo paso, se analizó el plano con la finalidad de seleccionar el área de la red de distribución de gas y de cómo se iba a seccionar por sectores (mallas), para luego dibujar la red sobre el plano como especificación de construcción y como soporte para la posterior realización del diagrama de flujo del sistema. La especificación de los materiales y equipos para el diseño de la red de gas metano, es esencial para el levantamiento de los planos de detalles. Las 65

80 especificaciones se realizaron según Norma ASTM D-12487, ASTM D y COVENIN (Tubos de polietileno de alta densidad para la conducción de gas natural), (Tubos de PEAD. Requisitos) y (Accesorios de PEAD. Requisitos); para la red de distribución. Seguidamente, se realizaron los planos de detalle de los instrumentos, equipos y especificaciones de construcción a utilizar para la construcción de la Red de Distribución de Gas Metano los cuales comprenden válvulas, manómetros, reguladores de presión, acometidas y tuberías Finalmente, a partir de los datos obtenidos se procedió a la simulación de la red de distribución de gas metano, utilizando el simulador GASNET. Dicho simulador utiliza la ecuación de Weymouth (ecuación más favorable para la estimación de caudales y diámetros internos de tuberías) para el cálculo de las presiones de la red de distribución de gas, usando el criterio de seccionar la red por sectores aplicando el método de Hardy Cross. Como primer paso se realizó el diagrama de flujo de la red, asumiendo el sentido de los flujos y seccionando la red por sectores o mallas. La red de Distribución quedó seccionada en 7 mallas que contienen 11 nodos. El siguiente paso fue la introducción de los datos de entrada al simulador, entrando en el icono de redes cerradas: 66

81 Figura 10. Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. (Martínez Marcías J. ICONSA ) Luego, se procede a la introducción de datos haciendo clic en el icono Datos. Figura 11. Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas Datos. (Martínez Marcías J. ICONSA ). 67

82 Seguidamente el simulador mostrará la ventana para los datos iniciales (Generalidades) las cuales son el nombre de la red, el número de nodos, el número de mallas, la gravedad específica del gas, temperatura del flujo, eficiencia y número de tramos de la red. Además en la misma sección, se introduce la presión de alimentación o presión del nodo 1 y el número de tramos de cada malla. Figura 12. Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Generalidades. (Martínez Marcías J. ICONSA ). 68

83 Posterior a las generalidades, en la sección de detalles se especificaron cada una de las mallas introduciendo los nodos, el caudal, el diámetro interno y la longitud de cada tramo. El flujo volumétrico de cada tramo de la red se distribuyo a partir del flujo de diseño aplicando el Método de Hardy Cross (el caudal de entrada es igual al caudal de salida en cada nodo del sistema). Los diámetros de tubería utilizados corresponden a los diámetros internos de la tubería de polietileno de alta densidad de acuerdo con la Norma COVENIN Tubos de PEAD para la conducción de Gas Natural (Ver Anexo A. pág. 5). Figura 13. Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/Detalles. (Martínez Marcías J, ICONSA ). 69

84 Finalmente, luego de cerrar los datos, se procedió a revisar el informe de los resultados, Figura 14. Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados. (Martínez Marcías J. ICONSA ). Los resultados muestran los caudales corregidos, las presiones de entrada y salida de cada tramo y las velocidades de erosión, densidad de salida y velocidad de salida. Además de la longitud equivalente que es la longitud de la tubería paralela a cada tramo, evitando el corte de circulación vial al momento de la instalación de la tubería y que además funciona como un lazo que aumenta la capacidad del sistema favoreciendo el cálculo de la red de distribución. 70

85 Figura 15. Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados/Presiones de la Red. (Martínez Marcías J. ICONSA ). 71

86 Figura 16. Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Resultados/Velocidad de erosión, Velocidad de salida y densidad de salida. (Martínez Marcías J. ICONSA ). 72

87 3.4. Metodología Objetivo 1) Establecer criterios de diseño de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 2) Especificar materiales y equipos para el diseño de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 3) Simular la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. 4) Elaborar planos de planta y detalle de la red de distribución de gas metano para el Sector Tinaquillo, Parroquia Libertad del Municipio Machiques de Perijá del Estado Zulia. Cuadro Nº 3. Metodología. Fuente: Castellano y Guidici (2008) Metodología Revisión Bibliográfica Criterios de Ingeniería Revisión Bibliográfica Criterios de Ingeniería Aplicación de la Ecuación de Weymouth. Método de Hardy Cross. Utilización de Simulador GASNET. Asesorías de especialistas en el área. 3.5 Procesamiento de Datos En el cuarto capítulo, se analizaron e interpretaron los resultados obtenidos de la simulación. 73

88 CAPITULO IV ANALISIS E NTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

89 Los resultados obtenidos en este trabajo de investigación fueron los siguientes: El volumen de gas requerido para el sector Tinaquillo fue de MMPCND obtenidos a partir de un número de viviendas proyectadas a 25 años de 3868 viviendas, que requirió de un flujo de MMPCND. El caudal comercial requerido fue de MMPCND. Las características de diseño del punto de alimentación o entrega, se indican a continuación: Presión Inicial Máxima: 60 lpcm. Presión Inicial Mínima: 40 lpcm. Flujo de Diseño: MMPCND. Utilización de válvulas y bridas de acero al carbono con clasificación ANSI 150 (275 lpcm a 100ºF). Todo el diseño y construcción de la Red de Distribución basado en el código ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Systems (2002). Para llevar a cabo el diseño de la red se evaluaron las alternativas técnico-económicas, utilizando el criterio de minimizar los costos de inversión y asegurándose de obtener la máxima presión posible en el nodo más desfavorable de la red (igual o mayor a 20.0 lpcm). Para ello se utilizó el criterio de seccionar la red por sectores. Para fines de diseño, se utilizó una presión de 40.0 lpcm a la salida de la Estación de Distrito, la cual distribuirá el flujo de gas a través de las líneas troncales y de distribución a los usuarios. El criterio de utilizar estos niveles 75

90 de presión permitió el uso de tubería de polietileno de alta densidad (PEAD) en toda la extensión de la red de distribución, sin la necesidad de construir nuevas estaciones. La temperatura ambiente y la presión de alimentación medidas en la Estación de Distrito Machiques fueron de 90 ºF y 60 lpcm respectivamente. Todas las tuberías y accesorios deberán ser de polietileno de alta densidad, clase C, negra y resistente a los rayos ultravioleta. En el caso de las líneas de servicio se utilizará tubería de cobre ASTMB-280, conexiones de bronce y en otros casos tubería de PEAD de 20 mm de diámetro, piezas de transición acero-pead de ½ pulg. por 20 mm. Las válvulas de seccionamiento para la Red de Distribución serán válvulas bridadas, cuerpo de acero, trim estándar, ANSI 150, tipo bola. Las válvulas para las acometidas serán de ½ pulg. de diámetro, cuerpo de bronce, con extremos roscados, en diámetro ½ pulg., tipo bola, asiento de teflón, ANSI 150. En cuanto a los reguladores, se usarán reguladores del tipo convencional de fuelle, con las siguientes especificaciones: Cuerpo de Aluminio. Presión de entrada: lpcm Presión de salida: 7-15 pulg. de agua ( lpcm). Caudal: 4 m 3 /h. Diámetro de orificio: ¼ pulg. (6.35 mm). Conexiones de entrada y salida: ½ pulg. NPT. 76

91 Los resultados obtenidos del simulador se muestran luego de la data de entrada al simulador. Fueron los siguientes: Figura 17. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Generalidades. 77

92 Figura 18. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla 1. 78

93 Figura 19. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla2. 79

94 Figura 20. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla 3. 80

95 Figura 21. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla 4. 81

96 Figura 22. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla 5. 82

97 Figura 23. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla 6. 83

98 Figura 24. Datos de Entrada Simulador GASNET. Sección Redes Cerradas. Datos/ Detalles Malla 7 84