PROYECTO DE GRADO INGENIERÍA CIVIL
EFECTOS HIDRÁULICOS DE LA DISMINUCIÓN DE VISCOSIDAD EN LOS SISTEMAS
DE OLEODUCTOS POR BOMBEO.
Daniel Mauricio Herrera Castillo.
Asesor: Juan Guillermo Saldarriaga Valderrama
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2013
AGRADECIMIENTOS
A mis padres y a mis profesores por enseñarme que en la vida se puede conseguir cualquier
cosa, siempre que se quiera.
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
i
TABLA DE CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS ..........................................................................................................................iii
ÍNDICE DE GRÁFICAS ........................................................................................................................ iv
ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................................... vii
1
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .................................................................................................. 1
1.1
Introducción ....................................................................................................................... 1
1.2
Objetivos ............................................................................................................................. 2
1.2.1
Objetivo general ......................................................................................................... 2
1.2.2
Objetivos específicos ................................................................................................. 2
2
MARCO TEÓRICO ....................................................................................................................... 3
2.1
Industria petrolera ............................................................................................................ 3
2.2
Crudos y su clasificación ................................................................................................... 6
2.3
Hidráulica de un oleoducto ............................................................................................... 8
2.3.1
Fluidos newtonianos ................................................................................................. 8
2.3.2
Número de Reynolds ............................................................................................... 10
2.3.3
Interacción flujo-pared sólida................................................................................. 10
2.3.4
Pérdidas por fricción ............................................................................................... 11
2.3.5
Bombas en sistemas de tuberías ............................................................................ 13
2.3.6
Oleoducto como una tubería en serie .................................................................... 20
3
MODELACIÓN HIDRÁULICA DE UN OLEODUCTO. MODELO HIDRÁULICO ESTABLE DE LA
EMPRESA OLEODUCTO CENTRAL S.A. – OCENSA ........................................................................ 22
4
EFECTOS DE LA DISMINUCIÓN DE VISCOSIDAD EN LAS BOMBAS .................................... 24
5
GENERACIÓN Y CONTROL DE ALARMAS EN LOS SISTEMAS DE OLEODUCTOS POR
BOMBEO ........................................................................................................................................... 37
5.1
Tipos de alarmas en los sistemas de oleoductos por bombeo ..................................... 37
5.2
Control de las alarmas de velocidad............................................................................... 39
6
EFECTOS DE LA INYECCIÓN DE DRA EN DIFERENTES CONFIGURACIONES DE BATCHEO
55
7
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................... 81
7.1
Conclusiones .................................................................................................................... 81
7.2
Recomendaciones ............................................................................................................ 82
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8
REFERENCIAS .......................................................................................................................... 83
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Proyecto de Grado
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2-1. Infraestructura Petrolera de Colombia - Oleoductos. Fuente: (Ecopetrol, Redes de
transporte, 2012). ......................................................................................................................................................... 5
Figura 2-2. Desarrollo de una capa límite turbulenta mostrando la subcapa laminar viscosa.
Adaptada de: (Saldarriaga, 2007). ...................................................................................................................... 11
Figura 2-3. Efectos de una bomba colocada en una tubería simple sobre la línea de energía
total (LET) y la línea de gradiente hidráulico (LGH). Fuente: (Saldarriaga, 2007). ....................... 14
Figura 2-4. Curvas de la bomba y de eficiencia de una bomba centrífuga. Fuente: (Best
Pumpworks, 2008). ................................................................................................................................................... 16
Figura 2-5. Determinación del punto de operación de una bomba. Adaptada de: (Saldarriaga,
2007). .............................................................................................................................................................................. 18
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iv
ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 2-1. Producción de petróleo en América Latina desde el 2001 hasta el 2011. Fuente de
los datos: (BP, 2012). .................................................................................................................................................. 3
Gráfica 2-2. Consumo de petróleo en América Latina desde el 2001 hasta el 2011. Fuente de
los datos: (BP, 2012). .................................................................................................................................................. 4
Gráfica 2-3. Producción vs Consumo en América Latina desde el 2001 hasta el 2011. Fuente de
los datos: (BP, 2012). .................................................................................................................................................. 6
Gráfica 2-4. Variación de la viscosidad con la temperatura para los crudos pesados Nowrooz
(a) y Soroosh (b). Fuente: (Homayuni, Hamidi, & Vatani, 2012). ............................................................. 9
Gráfica 2-5. Variación de la viscosidad con respecto al esfuerzo cortante aplicado a diferentes
temperaturas para un crudo pesado. Fuente: (Al-Bemani & Yaghi, 2002). .......................................... 9
Gráfica 2-6. Curva del sistema para un sistema bomba-tubería. Fuente: (Saldarriaga, 2007). . 17
Gráfica 4-1. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba principal de la
estación de bombeo Cusiana con crudo ligero Cusiana. ............................................................................ 29
Gráfica 4-2. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba principal de la
estación de bombeo Cusiana con crudo pesado Castilla. .......................................................................... 32
Gráfica 4-3. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba principal de la
estación de bombeo Cusiana con crudo pesado Castilla (viscosidad cinemática reducida en un
99%). ............................................................................................................................................................................... 35
Gráfica 5-1. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación
de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla. ...................................................................................... 41
Gráfica 5-2. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación
de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (condiciones de bombeo primera alternativa
de control). ................................................................................................................................................................... 43
Gráfica 5-3. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación
de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (condiciones de bombeo resultantes). ........ 47
Gráfica 5-4. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación
de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (viscosidad cinemática reducida en un
99%). ............................................................................................................................................................................... 50
Gráfica 5-5. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación
de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (viscosidad cinemática reducida en un 99%,
nuevas condiciones de bombeo). ........................................................................................................................ 53
Gráfica 6-1. Perfil de alturas piezométricas primeros 50 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 56
Gráfica 6-2. Perfil de alturas piezométricas primeros 100 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 56
Gráfica 6-3. Perfil de alturas piezométricas primeros 150 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 56
Gráfica 6-4. Perfil de alturas piezométricas primeros 200 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 57
Gráfica 6-5. Perfil de alturas piezométricas primeros 250 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 57
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v
Gráfica 6-6. Perfil de alturas piezométricas primeros 300 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 57
Gráfica 6-7. Perfil de alturas piezométricas primeros 350 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 58
Gráfica 6-8. Perfil de alturas piezométricas primeros 400 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 58
Gráfica 6-9. Perfil de alturas piezométricas primeros 450 km del oleoducto con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 58
Gráfica 6-10. Perfil de alturas piezométricas primeros 500 km del oleoducto con crudo
Cusiana. .......................................................................................................................................................................... 59
Gráfica 6-11. Perfil de alturas piezométricas primeros 550 km del oleoducto con crudo
Cusiana. .......................................................................................................................................................................... 59
Gráfica 6-12. Perfil de alturas piezométricas primeros 600 km del oleoducto con crudo
Cusiana. .......................................................................................................................................................................... 59
Gráfica 6-13. Perfil de alturas piezométricas primeros 650 km del oleoducto con crudo
Cusiana. .......................................................................................................................................................................... 60
Gráfica 6-14. Perfil de alturas piezométricas primeros 700 km del oleoducto con crudo
Cusiana. .......................................................................................................................................................................... 60
Gráfica 6-15. Perfil de alturas piezométricas primeros 750 km del oleoducto con crudo
Cusiana. .......................................................................................................................................................................... 60
Gráfica 6-16. Perfil de alturas piezométricas primeros 800 km del oleoducto con crudo
Cusiana. .......................................................................................................................................................................... 61
Gráfica 6-17. Caudal en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de
batcheo. .......................................................................................................................................................................... 62
Gráfica 6-18. Velocidad de las bombas en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo. ...................................................................................................................................... 63
Gráfica 6-19. Potencia hidráulica adicionada en cada una de las estaciones de bombeo para
cada configuración de batcheo. ............................................................................................................................ 64
Gráfica 6-20. Caudal almacenado en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo. ...................................................................................................................................... 65
Gráfica 6-21. Concentración de DRA inyectada en cada una de las estaciones de bombeo para
cada configuración de batcheo. ............................................................................................................................ 66
Gráfica 6-22. Perfil de alturas piezométricas primeros 50 km del oleoducto con crudo Cusiana
(concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................................... 68
Gráfica 6-23. Perfil de alturas piezométricas primeros 100 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 68
Gráfica 6-24. Perfil de alturas piezométricas primeros 150 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 69
Gráfica 6-25. Perfil de alturas piezométricas primeros 200 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 69
Gráfica 6-26. Perfil de alturas piezométricas primeros 250 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 70
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Proyecto de Grado
vi
Gráfica 6-27. Perfil de alturas piezométricas primeros 300 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 70
Gráfica 6-28. Perfil de alturas piezométricas primeros 350 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 71
Gráfica 6-29. Perfil de alturas piezométricas primeros 400 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 71
Gráfica 6-30. Perfil de alturas piezométricas primeros 450 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 72
Gráfica 6-31. Perfil de alturas piezométricas primeros 500 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 72
Gráfica 6-32. Perfil de alturas piezométricas primeros 550 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 73
Gráfica 6-33. Perfil de alturas piezométricas primeros 600 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 73
Gráfica 6-34. Perfil de alturas piezométricas primeros 650 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 74
Gráfica 6-35. Perfil de alturas piezométricas primeros 700 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 74
Gráfica 6-36. Perfil de alturas piezométricas primeros 750 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 75
Gráfica 6-37. Perfil de alturas piezométricas primeros 800 km del oleoducto con crudo
Cusiana (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 75
Gráfica 6-38. Caudal en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de
batcheo (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 76
Gráfica 6-39. Velocidad de las bombas en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo (concentración de DRA inyectada constante). .......................................... 77
Gráfica 6-40. Potencia hidráulica adicionada en cada una de las estaciones de bombeo para
cada configuración de batcheo (concentración de DRA inyectada constante). ............................... 78
Gráfica 6-41. Caudal almacenado en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo (concentración de DRA inyectada constante). .......................................... 79
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vii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2-1. Composición en peso del crudo. Fuente de los datos: (Canadian Centre for Energy
Information, 2002-2013). ......................................................................................................................................... 7
Tabla 3-1. Equivalencia entre las unidades típicas de la industria petrolera y el Sistema
Internacional de Unidades (SI). ........................................................................................................................... 23
Tabla 4-1. Datos de entrada de la simulación de la bomba principal Cusiana con crudo Cusiana.
........................................................................................................................................................................................... 28
Tabla 4-2. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de
operación de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de
la bomba cuando se bombea crudo Cusiana. .................................................................................................. 28
Tabla 4-3. Datos de entrada de la simulación de la bomba principal Cusiana con crudo Castilla.
........................................................................................................................................................................................... 30
Tabla 4-4. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación
de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
cuando se bombea crudo Castilla. ....................................................................................................................... 31
Tabla 4-5. Datos de entrada de la simulación de la bomba principal Cusiana con crudo Castilla
(viscosidad cinemática reducida en un 99%). ............................................................................................... 33
Tabla 4-6. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación
de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
cuando se bombea crudo Castilla (viscosidad cinemática reducida en un 99%). .......................... 34
Tabla 5-1. Información general de las condiciones de bombeo. ............................................................ 39
Tabla 5-2. Datos de entrada de la simulación de la bomba booster El Porvenir con crudo
Castilla. ........................................................................................................................................................................... 39
Tabla 5-3. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación
de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
cuando se bombea crudo Castilla (bomba booster El Porvenir). ........................................................... 40
Tabla 5-4. Información general de las nuevas condiciones de bombeo (primera alternativa de
control). ......................................................................................................................................................................... 42
Tabla 5-5. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación
de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
cuando se bombea crudo Castilla (condiciones de bombeo primera alternativa de control). .. 42
Tabla 5-6. Información general de las nuevas condiciones de bombeo (segunda alternativa de
control). ......................................................................................................................................................................... 44
Tabla 5-7. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación
de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
cuando se bombea crudo Castilla (condiciones de bombeo segunda alternativa de control). .. 45
Tabla 5-8. Información general de las condiciones de bombeo resultantes. .................................... 45
Tabla 5-9. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación
de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
cuando se bombea crudo Castilla (condiciones de bombeo resultantes). ......................................... 46
Tabla 5-10. Datos de entrada de la simulación de la bomba booster El Porvenir con crudo
Castilla (viscosidad cinemática reducida en un 99%). ............................................................................... 48
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Proyecto de Grado
viii
Tabla 5-11. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de
operación de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de
la bomba cuando se bombea crudo Castilla (viscosidad cinemática reducida en un 99%)........ 49
Tabla 5-12. Información general de las nuevas condiciones de bombeo. .......................................... 51
Tabla 5-13. Datos de entrada de la simulación de la bomba booster El Porvenir con crudo
Castilla (viscosidad cinemática reducida en un 99%, nuevas condiciones de bombeo). ............. 51
Tabla 5-14. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de
operación de la bomba, y correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de
la bomba cuando se bombea crudo Castilla (viscosidad cinemática reducida en un 99%,
nuevas condiciones de bombeo). ........................................................................................................................ 52
Tabla 6-1. Caudal en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de
batcheo. .......................................................................................................................................................................... 61
Tabla 6-2. Velocidad de las bombas en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo. ...................................................................................................................................... 62
Tabla 6-3. Potencia hidráulica adicionada en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo. ...................................................................................................................................... 63
Tabla 6-4. Caudal almacenado en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo. ...................................................................................................................................... 64
Tabla 6-5. Concentración de DRA inyectada en cada una de las estaciones de bombeo para
cada configuración de batcheo. ............................................................................................................................ 65
Tabla 6-6. Caudal en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de
batcheo (concentración de DRA inyectada constante). ............................................................................. 76
Tabla 6-7. Velocidad de las bombas en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo (concentración de DRA inyectada constante). .......................................... 77
Tabla 6-8. Potencia hidráulica adicionada en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo (concentración de DRA inyectada constante). .......................................... 78
Tabla 6-9. Caudal almacenado en cada una de las estaciones de bombeo para cada
configuración de batcheo (concentración de DRA inyectada constante). .......................................... 79
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Proyecto de Grado
1
1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1.1 Introducción
En la actualidad, el transporte de crudo pesado en Colombia se realiza por tierra mediante
tractomulas y carrotanques, afectando directamente a la producción y generando un impacto
económico importante, principalmente en la inversión extranjera. Por esta razón, surgen como
alternativa de transporte de crudo pesado los sistemas de oleoductos por bombeo.
Últimamente, se ha visto que solamente las grandes empresas productoras, como Ecopetrol y
Repsol, pueden utilizar los sistemas de oleoductos por bombeo para transportar el crudo, ya
que estas empresas son las dueñas de la infraestructura y ostentan los recursos necesarios para
el bombeo (Redacción Llano 7 Días, 2012). Siendo el cuarto país en la lista de productores de
crudo en América Latina, es de vital importancia investigar cómo se podría facilitar el bombeo
del crudo pesado en estos sistemas, de tal forma que la infraestructura sea un servicio a
disposición de los productores del país.
Adicionalmente, se debe tener en cuenta que el crudo pesado es un fluido de alta viscosidad,
por lo cual resulta inminente la disminución de su viscosidad si se pretende hacer uso de los
sistemas de oleoductos por bombeo. Si no se realiza este proceso, es posible que el crudo no
pueda ser transportado o que esta alternativa no pueda ser utilizada por los costos energéticos
elevados que generaría el bombeo.
Uno de los métodos que se ha venido utilizando en la industria petrolera para disminuir la
viscosidad del crudo pesado, es la utilización de unas sustancias poliméricas denominadas
agentes reductores de arrastre (DRA, por su nombre en inglés Drag Reduction Agents). Estos
agentes reductores de arrastre son inyectados a los sistemas de oleoductos por bombeo con el
propósito de mitigar la turbulencia producida por las pérdidas por fricción.
En este proyecto de grado se evaluarán los efectos hidráulicos generados por esta disminución
de la viscosidad cinemática del crudo en los sistemas de oleoductos por bombeo. En primera
instancia, se orientará el estudio de estos efectos a las bombas empleadas en las estaciones de
bombeo del oleoducto Cusiana – La Belleza – Vasconia – Coveñas de la empresa OLEODUCTO
CENTRAL S.A. – OCENSA, a través de un software de simulación especializado en este tipo de
sistemas denominado Modelo Estable y Extendido, el cual simula la operación del oleoducto
mencionado.
El estudio continúa con una investigación sobre el tipo de alarmas que se generan en un
oleoducto, y como se relacionan estas con la disminución de viscosidad. De igual forma, se
presentarán unas alternativas de control para las alarmas de velocidad.
Por último, se indagará acerca del efecto que tiene la inyección de DRA en diferentes
configuraciones de batcheo.
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2
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
El objetivo general del proyecto de grado es estudiar los principales efectos hidráulicos que se
presentan en los sistemas de oleoductos por bombeo, generados por la disminución de
viscosidad del crudo transportado a partir de la utilización de agentes reductores de arrastre.
1.2.2 Objetivos específicos
Con el fin de lograr el objetivo general del proyecto de grado, se determinan los siguientes
objetivos específicos:
Realizar una contextualización de la problemática del transporte de crudos pesados en
Colombia.
Asociar los conceptos teóricos de la hidráulica de tuberías al funcionamiento de un
oleoducto.
Utilizar un software que permita realizar la modelación hidráulica de un oleoducto en
estado estable.
Entender las diferencias hidráulicas que se presentan al transportar un crudo pesado
con respecto al transporte de agua potable presurizada, analizando el comportamiento
de las curvas de la bomba, eficiencia y potencia de cada una de las bombas empleadas
en las estaciones de bombeo del oleoducto Cusiana – La Belleza – Vasconia – Coveñas,
perteneciente a la empresa OLEODUCTO CENTRAL S.A. – OCENSA.
Comprender el proceso de generación de alarmas de caudal, velocidad y potencia en las
estaciones de bombeo, y relacionar las alarmas con la operación apropiada del
oleoducto.
Proporcionar tres alternativas de control para las alarmas de velocidad, y observar
como varía el proceder de dos de estas alternativas con la viscosidad cinemática del
crudo que se está transportando.
Establecer una relación entre la configuración del batcheo y la inyección de agentes
reductores de arrastre, con el fin de determinar el efecto de ambas en la capacidad de
bombeo del oleoducto.
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Proyecto de Grado
3
2 MARCO TEÓRICO
2.1 Industria petrolera
En la actualidad, el petróleo se ha instituido como el principal generador de renta externa,
posicionándose por encima incluso del café, producto nacional predilecto de exportación
(García, 2002). Resulta entonces indiscutible que el petróleo se ha transformado en el principal
propulsor del desarrollo de la economía colombiana, ubicando a Colombia en la cuarta posición
de la lista de productores de petróleo en América Latina, después de México, Venezuela y Brasil.
En la Gráfica 2-1 se puede observar que, aunque la producción de petróleo en América Latina
sufrió un declive en el 2005, Colombia siguió aumentando su producción pasando de 0.554
millones de barriles de petróleo diarios en 2005, a 0.930 millones de barriles de petróleo
diarios en 2011. Adicionalmente, Colombia logró tener en el 2011 el mayor porcentaje de
crecimiento en producción de petróleo con respecto al año anterior de América Latina, con un
16,3% (BP, 2012).
Gráfica 2-1. Producción de petróleo en América Latina desde el 2001 hasta el 2011. Fuente de los datos: (BP, 2012).
Por otro lado, en la Gráfica 2-2 se puede observar que a pesar del fuerte incremento del
consumo de petróleo que se dio en Colombia en el 2010, a cifras del 2011 se están consumiendo
solamente 0.253 millones de barriles de petróleo diarios, cifra inferior al 30% de la producción
diaria de petróleo del país. Esta falta de consumo se justifica claramente teniendo en cuenta los
dos fines principales que se le da a cada barril de petróleo en Colombia: la exportación y el
refinamiento.
0.000
2.000
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8.000
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12.000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
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Producción de Petróleo en América Latina
2001 - 2011 [Millones de barriles/día]
México
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Brasil
Colombia
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Ecuador
Perú
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Gráfica 2-2. Consumo de petróleo en América Latina desde el 2001 hasta el 2011. Fuente de los datos: (BP, 2012).
La exportación de petróleo en el país se realiza a través del Terminal Marítimo de Coveñas,
localizado en el departamento de Sucre y designado como el principal puerto de movimiento
de hidrocarburos de Colombia. El Terminal Marítimo de Coveñas es alimentado por tres de
oleoductos: Oleoducto Caño Limón Coveñas, Oleoducto de Colombia (ODC) y el Oleoducto
Central (OCENSA) (Ecopetrol, Coveñas, 2012).
En el caso del refinamiento, el petróleo crudo extraído es transportado al Complejo Industrial
de Barrancabermeja, localizado en el departamento de Santander, donde se refina para
producir gasolina motor (corriente y extra), bencina, cocinol, diésel, queroseno, entre otros
(Ecopetrol, Refinación, 2012).
Para cumplir a cabalidad con estos fines, Colombia cuenta con la siguiente red de oleoductos:
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Pro
d
u
cci
ó
n
d
e p
etró
le
o
[m
b
d
]
Año
Consumo de Petróleo en América Latina 2001
- 2011 [Millones de barriles/día]
Brasil
Mexico
Venezuela
Argentina
Chile
Colombia
Ecuador
Perú
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Figura 2-1. Infraestructura Petrolera de Colombia - Oleoductos. Fuente: (Ecopetrol, Redes de transporte, 2012).
Al realizar una comparación entre la Gráfica 2-1 y la Gráfica 2-2, es claro que en años futuros la
producción no alcanzará a suplir la demanda de energía. Esto se evidencia claramente en la
Gráfica 2-3:
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Gráfica 2-3. Producción vs Consumo en América Latina desde el 2001 hasta el 2011. Fuente de los datos: (BP, 2012).
Frente a esto surge la necesidad de activar todas las fuentes de energía disponibles, siendo la
explotación de crudos pesados una de las más aprovechables. El papel que desempeña América
Latina en este nuevo enfoque de la industria petrolera resulta fundamental, ya que dispone del
48% de las reservas recuperables de crudos pesados en el mundo. Asimismo, Colombia se ubica
actualmente como el quinto país dentro de la región con mayor potencial para la explotación
de estos recursos energéticos y se estima que el 45% de su producción de petróleo corresponde
a crudos pesados (Colombia Energía, 2013).
2.2 Crudos y su clasificación
El petróleo, en términos generales, se define como una combinación entre hidrocarburos
(compuestos orgánicos formados a partir de átomos de carbono e hidrógeno) en fase sólida,
líquida o gaseosa, con ciertos elementos químicos (principalmente azufre, nitrógeno y oxígeno).
El petróleo se origina mediante la descomposición de materia orgánica depositada entre las
capas de formaciones sedimentarias. Esta descomposición es causada por la exposición de la
materia orgánica a las condiciones de temperatura y presión (las cuales varían según la
profundidad) de la formación geológica donde se encuentra, permitiendo así la producción y
retención de los hidrocarburos que forman las reservas de petróleo (Galp Energia, SGPS, S.A.,
2010).
Por otro lado, se define el crudo como petróleo en condiciones de yacimiento. El crudo en sí no
tiene un valor económico alto en el mercado pero como se mencionó anteriormente, a través
de un proceso de refinación, se pueden adquirir de él productos de gran valor comercial como
la gasolina. Aunque la composición del crudo varía según su origen geológico, se tienen los
siguientes rangos típicos para la composición en peso de este:
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Millon
es
d
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ar
rile
s
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o
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ía
Año
Producción vs. Consumo en América Latina 2001 - 2011
[Millones de barriles/día]
Producción
Consumo
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Tabla 2-1. Composición en peso del crudo. Fuente de los datos: (Canadian Centre for Energy Information, 2002-2013).
Elemento químico
%peso
Carbono (C)
83%-87%
Hidrógeno (H)
10%-14%
Azufre (S)
Hasta 6%
Nitrógeno (N)
Hasta 2%
Oxígeno (O)
Hasta 1,5%
Metales
Menos de 1000 ppm
El crudo se clasifica de tres formas distintas. La primera de estas es la distinción que se hace
entre un crudo convencional y un crudo no convencional. Un crudo se considera como crudo
convencional cuando fluye naturalmente o puede ser bombeado sin necesidad de ser calentado
o diluido (Canadian Centre for Energy Information, 2002-2013). De lo contrario, se considera
como crudo no convencional.
La segunda clasificación es la diferenciación entre un crudo dulce y un crudo amargo. Un crudo
dulce es aquel que tiene un contenido de azufre menor al 0,5%, mientras que un crudo amargo
es aquel que tiene un contenido de azufre mayor al 1%. La relevancia de esta segunda
clasificación radica en los tipos de productos que se pueden obtener de estos. El crudo dulce es
procesado para obtener gasolina, keroseno y diésel de alta calidad, mientras que el crudo
amargo, por su alto contenido de impureza (contenido de azufre) es procesado para obtener
diésel y combustible.
La tercera y última clasificación del crudo, es la categorización de los crudos en ligeros,
medianos, pesados y extrapesados, según su gravedad API. La gravedad API es una medida de
densidad establecida por el Instituto Americano del Petróleo (API, por su nombre en inglés
American Petroleum Institute), que especifica que tan liviano o pesado es un crudo con respecto
al agua. La gravedad API de un crudo se mide en grados y se determina con la siguiente
ecuación:
°𝐴𝑃𝐼 =
145,5
𝐺
𝑠
(60°𝐹)
− 131,5
Ecuación 2-1. Gravedad API.
donde:
𝐺
𝑠
(60°𝐹): gravedad específica medida a 60°F en condiciones estandarizadas.
Como se mencionó anteriormente, los crudos se clasifican según su gravedad API de la siguiente
manera:
Crudos ligeros: °API>31,1°
Crudos medianos: 22,3°<°API<31,1°
Crudos pesados: 10°<°API<22,3°
Crudos extrapesados: °API<10°
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Esta última clasificación del crudo es la más importante en el transporte de crudo mediante
sistemas de oleoductos por bombeo, ya que una gravedad API alta implica que el crudo puede
llegar a ser más liviano que el agua (como en el caso de los crudos ligeros), facilitando así su
transporte, mientras que una gravedad API baja implica que el crudo puede llegar a ser o es
más pesado que el agua (como en el caso de los crudos pesados y extrapesados,
respectivamente). Asimismo, los crudos con gravedades API bajas presentan mayores
viscosidades y mayores contenidos de azufre, nitrógeno y metales.
2.3 Hidráulica de un oleoducto
De manera general, el transporte de crudo en los sistemas de oleoductos por bombeo está
gobernado por las mismas leyes físicas que el transporte de agua potable presurizada. Dado a
que las ecuaciones para el cálculo y diseño de sistemas hidráulicos son físicamente basadas,
estas siguen siendo válidas independientemente del fluido con el que se esté trabajando. A
continuación, se presentan algunos conceptos hidráulicos fundamentales de un sistema de
oleoducto por bombeo.
2.3.1 Fluidos newtonianos
Una exigencia para utilizar las ecuaciones anteriormente mencionadas, es que el fluido que se
esté transportando, sea un fluido newtoniano. Un fluido se define como una sustancia que no
puede resistir esfuerzo cortante. Ante la existencia de un esfuerzo cortante, el fluido se deforma
gradualmente mientras el esfuerzo este presente. La resistencia u oposición del fluido a esta
deformación se denomina viscosidad, y es una propiedad física de cada fluido (Saldarriaga,
2007).
Un fluido newtoniano es aquel que se rige bajo la ley de viscosidad de Newton. La ley de
viscosidad de Newton establece que el esfuerzo cortante (τ) es proporcional a la tasa de
deformación del fluido, teniendo como constante de proporcionalidad la viscosidad dinámica
del fluido (μ).
𝜏 = 𝜇
𝑑𝑣
𝑥
𝑑𝑦
Ecuación 2-2. Ley de viscosidad de Newton.
donde:
𝜇: viscosidad dinámica del fluido.
𝑑𝑣
𝑥
𝑑𝑦
: gradiente de velocidad (tasa de deformación del fluido).
Así, un fluido newtoniano se define como aquel fluido que mantiene constante su viscosidad,
sin importar la magnitud del esfuerzo cortante que se le está aplicando.
El petróleo en sí se define como un fluido no newtoniano, es decir, aquel para el cual la
viscosidad dinámica es función de la temperatura y el esfuerzo cortante que se le está aplicando.
Cuando se transporta un crudo en un sistema de oleoducto por bombeo, la magnitud del
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esfuerzo cortante al que se encuentra sometido el crudo, no tiene un efecto significativo sobre
la viscosidad de esta. Sin embargo, la viscosidad del crudo sí varía de forma significativa con la
temperatura. Un aumento en la temperatura del crudo implica una disminución en la viscosidad
del crudo, pero a su vez, hace que este se comporte como un fluido newtoniano. Las siguientes
dos gráficas justifican ambas afirmaciones:
Gráfica 2-4. Variación de la viscosidad con la temperatura para los crudos pesados Nowrooz (a) y Soroosh (b). Fuente:
(Homayuni, Hamidi, & Vatani, 2012).
Gráfica 2-5. Variación de la viscosidad con respecto al esfuerzo cortante aplicado a diferentes temperaturas para un
crudo pesado. Fuente: (Al-Bemani & Yaghi, 2002).
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2.3.2 Número de Reynolds
En un flujo, cuando no hay interacción entre dos o más fluidos (no existen fuerzas de tensión
superficial), y se tienen velocidades sustancialmente inferiores a la del sonido (fuerzas de
compresibilidad pequeñas), el movimiento de las partículas es regido por tres fuerzas: las
fuerzas de presión, las fuerzas viscosas y las fuerzas inerciales. Si se estableciera un triángulo
de fuerzas, la suma vectorial de las fuerzas de presión y las fuerzas viscosas dan como resultado
las fuerzas inerciales (Saldarriaga, 2007). Teniendo en cuenta los conceptos de similitud
dinámica para dos sistemas de diferente tamaño con las mismas condiciones de velocidad y
geometría, y estableciendo una relación entre las fuerzas viscosas y las fuerzas de presión, se
llega a un número adimensional conocido como el número de Reynolds:
𝑅𝑒 =
𝑣𝑑𝜌
𝜇
=
𝑣𝑑
𝜈
Ecuación 2-3. Número de Reynolds.
donde:
𝑣: velocidad media del flujo en la tubería.
𝑑: diámetro de la tubería.
𝜌: densidad del fluido.
𝜈: viscosidad cinemática del fluido.
El número de Reynolds permite caracterizar el tipo de flujo en tuberías, estableciendo los
rangos para los cuales se tendrá flujo laminar, flujo transicional o flujo turbulento de la
siguiente manera:
Re<2200: flujo laminar.
2200<Re<4500: flujo transicional.
Re>4500: flujo turbulento.
A diferencia de los sistemas en los que se maneja agua potable presurizada, los cuales se
caracterizan por tener números de Reynolds altos y, por ende, flujos altamente turbulentos, los
sistemas de oleoductos por bombeo se caracterizan por tener números de Reynolds bajos, por
lo cual se tienen generalmente flujos laminares o transicionales. La razón de esto radica en la
diferencia de viscosidad del agua y del crudo, siendo esta última significativamente superior
para cualquier temperatura.
2.3.3 Interacción flujo-pared sólida
Teniendo en cuenta el concepto de longitud de mezcla introducido por Ludwig Prandtl en 1925
y el esfuerzo turbulento de Reynolds, se establece el siguiente concepto para explicar la
interacción que hay entre el flujo y la pared sólida que lo rodea:
𝜏
𝑦𝑥 𝑇
= 𝜌𝑙 (
𝛿𝑣
𝑥
𝛿𝑦
)
2
Ecuación 2-4. Esfuerzo cortante turbulento.
donde:
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𝜌: densidad del fluido.
𝑙: longitud de mezcla.
𝛿𝑣
𝑥
𝛿𝑦
: gradiente de velocidad.
El concepto de longitud de mezcla (primer concepto de la mecánica de fluidos moderna) y el
concepto de interacción flujo-pared sólida (segundo concepto de la mecánica de fluidos
moderna), le permitieron a Prandtl introducir una teoría que establece que siempre que un
fluido en movimiento interactúe con una pared sólida, el esfuerzo cortante que se genera afecta
a una zona del flujo conocida como capa límite, la cual puede ser laminar o turbulenta
(Saldarriaga, 2007). En esta capa, la velocidad en el punto de contacto del flujo con la pared
sólida es igual a cero y la distribución de velocidades cambia por la existencia de la pared.
Para flujo turbulento, a medida que las moléculas se acercan a la pared sólida, estas reducen las
direcciones de vibración generando un flujo laminar cerca a la pared. Esta zona se conoce como
subcapa laminar viscosa y se ilustra en la siguiente figura:
Figura 2-2. Desarrollo de una capa límite turbulenta mostrando la subcapa laminar viscosa. Adaptada de: (Saldarriaga,
2007).
El concepto de interacción flujo-pared sólida es esencial para entender el accionar hidráulico
de los agentes reductores de arrastre, ya que según su naturaleza, estos operarán en alguna de
las zonas descritas anteriormente.
2.3.4 Pérdidas por fricción
Como su nombre lo indica, las pérdidas por fricción corresponden a las pérdidas de altura de
presión debidas a la fricción fluida sobre la pared de la tubería y a los efectos de viscosidad del
fluido (Saldarriaga, 2007). El cálculo de estas pérdidas se realiza de manera directa con la
ecuación de Darcy Weisbach:
ℎ
𝑓
= 𝑓
𝑙
𝑑
𝑣
2
2𝑔
Ecuación 2-5. Darcy Weisbach.
donde:
𝑓: factor de fricción de Darcy.
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𝑙: longitud de la tubería.
𝑑: diámetro de la tubería.
𝑣: velocidad media del flujo en la tubería.
El factor de fricción de Darcy es el responsable de las pérdidas por fricción, y puede ser
determinado a partir de la ecuación de Colebrook-White. Esta ecuación es físicamente basada
y relaciona el factor de fricción como función de la rugosidad relativa de la tubería (k
s
/d) y el
número de Reynolds de manera implícita:
1
√𝑓
= −2 log
10
(
𝑘
𝑠
3.7𝑑
+
2.51
𝑅𝑒√𝑓
)
Ecuación 2-6. Ecuación de Colebrook-White.
donde:
𝑓: factor de fricción de Darcy.
𝑘
𝑠
: rugosidad absoluta de la tubería.
𝑑: diámetro de la tubería.
𝑅𝑒: número de Reynolds.
Utilizando las ecuaciones de Darcy Weisbach y de Colebrook-White, se puede encontrar una
ecuación explícita para el caudal en una tubería simple:
𝑄 =
𝜋𝑑
2
4
[
−2√2𝑔𝑑ℎ
𝑓
√𝑙
log
10
(
𝑘
𝑠
3.7𝑑
+
2.51𝜈√𝑙
𝑑√2𝑔𝑑ℎ
𝑓
)]
Ecuación 2-7. Caudal en una tubería simple.
donde:
𝑑: diámetro de la tubería.
ℎ
𝑓
: pérdidas por fricción.
𝑙: longitud de la tubería.
𝑘
𝑠
: rugosidad absoluta de la tubería.
𝜈: viscosidad cinemática del fluido.
Como se puede observar en la Ecuación 2-7, tanto las pérdidas por fricción, como la viscosidad
del fluido, afectan directamente al caudal que puede ser transportado en una tubería.
Los agentes reductores de arrastre tienen como finalidad reducir las pérdidas por fricción por
lo cual, al mantener en la Ecuación 2-7 un valor constante para el diámetro de la tubería, la
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longitud de la tubería y la rugosidad absoluta de la tubería, sería posible transportar más caudal
cuando estos son inyectados en los sistemas de oleoductos por bombeo.
2.3.5 Bombas en sistemas de tuberías
En esta sección se presentarán los efectos hidráulicos que producen las bombas en una tubería
simple. Asimismo, se realizará una descripción breve de las bombas centrífugas, teniendo en
cuenta que este tipo de bombas rotodinámicas son utilizadas actualmente en los sistemas de
oleoductos por bombeo para impulsar el crudo.
2.3.5.1 Bombas centrífugas
Las bombas rotodinámicas son aquellas en las que se suministra energía cinética de rotación al
fluido que se bombea mediante un impulsor (rotor), con el fin de transformar esta energía en
energía de presión, enclaustrando el fluido en la voluta o carcasa de la bomba mientras avanza
a lo largo de ésta.
De manera general, las bombas rotodinámicas se clasifican de acuerdo con la forma de sus
impulsores en tres tipos: bombas centrífugas, bombas de flujo axial o bombas de flujo mixto.
Las bombas centrífugas se caracterizan por tener un flujo radial, es decir, el fluido entra a la
bomba en forma axial (paralela al eje de la bomba) pero sale impulsado en dirección radial
(perpendicular al eje de la bomba). Asimismo, estas bombas presentan una presión
relativamente alta con un caudal bajo (Saldarriaga, 2007).
Adicionalmente, las bombas rotodinámicas se definen de manera más explícita a través de un
parámetro adimensional conocido como velocidad específica (Ns), el cual se puede interpretar
como la velocidad en revoluciones por minuto para la cual modelos geométricamente similares
a prototipos de las diferentes clases de bombas operarían para mover un caudal unitario
cuando se genera una altura piezométrica unitaria (Saldarriaga, 2007). Este parámetro es
simplemente un indicador para determinar qué bomba rotodinámica y, por ende, qué dirección
de flujo se tiene. La expresión de la velocidad específica de una bomba rotodinámica puede ser
hallada a través de un análisis dimensional, teniendo en cuenta el concepto de similitud
dinámica de la mecánica de fluidos. La expresión resultante de este proceso es:
𝑁𝑠 =
𝑁√𝑄
𝐻
3/4
Ecuación 2-8. Velocidad específica de una bomba
rotodinámica.
donde:
𝑄: caudal en galones americanos por minuto (gpm).
𝐻: altura piezométrica total de la bomba en pies (ft).
𝑁: velocidad rotacional de la bomba en revoluciones por minuto (rpm).
Para las bombas centrífugas se tienen generalmente valores de velocidad específica entre 500
y 2000.
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Por último, las bombas centrífugas pueden ser de etapa simple o multietapa. En los sistemas de
oleoductos por bombeo se utilizan generalmente bombas centrífugas multietapa, debido a que
las bombas que se emplean en las estaciones de bombeo, deben tener una velocidad
considerablemente mayores a las obtenibles con una bomba centrífuga de etapa simple para
añadir la energía por unidad de peso (altura piezométrica de presión) necesaria.
El número de etapas de una bomba centrífuga es directamente proporcional al número de
impulsores de esta, por lo cual una bomba centrífuga de dos o más impulsores, es considerada
una bomba centrífuga multietapa. A diferencia de las bombas centrífugas de etapa simple,
donde el impulsor de la bomba se encuentra instalado en un solo eje de giro, las bombas
centrífugas multietapa pueden tener varios ejes de giro, por lo cual se tiene la posibilidad de
instalar los impulsores en un mismo eje de giro o ejes de giro diferentes.
2.3.5.2 Línea de gradiente hidráulico en sistemas bomba-tubería
Como se mencionó anteriormente, el propósito de las bombas rotodinámicas es convertir
energía cinética de rotación en energía de presión. Como consecuencia de esta conversión, se
adiciona energía por unidad de peso (altura piezométrica de presión) al flujo. En un sistema
bomba-tubería, este aumento de energía es detectado por los manómetros aguas arriba y aguas
abajo de la bomba, elevando la línea de energía total (LET) y la línea piezométrica del flujo o
línea de gradiente hidráulico (LGH) y, por consiguiente, afectando la forma y la pendiente de
estas dos líneas (Saldarriaga, 2007). En la Figura 2-3 se ilustra de manera gráfica como se ven
afectadas ambas líneas por la presencia de la bomba:
Figura 2-3. Efectos de una bomba colocada en una tubería simple sobre la línea de energía total (LET) y la línea de
gradiente hidráulico (LGH). Fuente: (Saldarriaga, 2007).
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Este concepto es supremamente importante en los sistemas de oleoductos por bombeo, debido
a que se la línea de gradiente hidráulico debe estar siempre por encima de la línea del perfil del
suelo (denominada Slack Line) y por debajo de la presión máxima de operación permitida
(MAOP, por su nombre en inglés Maximum Allowable Operating Pressure), con el fin de
asegurar condiciones de operación normales en el sistema.
2.3.5.3 Curvas de un sistema bomba tubería
Las curvas de un sistema bomba tubería son tres: curva de la bomba, curva de eficiencia y curva
del sistema. Las curvas de la bomba y de eficiencia son suministradas por los fabricantes de las
bombas o son obtenidas en laboratorio, y generalmente son construidas cuando el fluido que
se bombea es agua. Por otro lado, la curva del sistema puede ser construida por el diseñador
mediante la escogencia de diferentes valores de altura piezométrica total generada por la
bomba (Hm), teniendo en cuenta la ecuación de conservación de energía.
Las curvas de la bomba son curvas de caudal contra altura piezométrica total (Saldarriaga,
2007). Por lo general, para una bomba centrífuga, la altura piezométrica total se puede expresar
como una función cuadrática del caudal de la siguiente manera:
𝐻
𝑚
= 𝐴𝑄
2
+ 𝐵𝑄 + 𝐶
Ecuación 2-9. Altura piezométrica manométrica como
función del caudal para bombas centrífugas.
donde:
𝑄: caudal bombeado.
Teniendo en cuenta que para n+1 puntos existe solamente un polinomio de grado n que pasa a
través de todos ellos, los coeficientes A, B y C pueden ser determinados escogiendo tres puntos
de caudal y altura piezométrica total de la curva suministrada por el fabricante. Esta
simplificación fue utilizada en el modelo hidráulico estable de la empresa OLEODUCTO
CENTRAL S.A – OCENSA, ya que permite simular bombas centrífugas en sistemas complejos de
tuberías, tales como los sistemas de oleoductos por bombeo.
Las curvas de eficiencia, como su nombre lo indica, son curvas de caudal contra eficiencia de la
bomba. Cada sistema de tuberías, para un caudal de diseño, tiene una eficiencia máxima de la
bomba. Para un caudal determinado, con una altura piezométrica manométrica y una eficiencia
conjunta bomba-motor (η) determinada, se puede obtener la potencia consumida por la bomba
de la siguiente manera:
𝑃 =
1
𝜂
𝜌𝑄𝑔𝐻
𝑚
Ecuación 2-10. Potencia consumida por una bomba
donde:
𝜂: eficiencia conjunta bomba-motor.
𝜌: densidad del fluido.
𝑄: caudal bombeado.
𝐻
𝑚
: altura piezométrica manométrica.
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A continuación, se presentan curvas de la bomba y de eficiencia para una bomba centrífuga del
fabricante Ingersoll-Rand.
Figura 2-4. Curvas de la bomba y de eficiencia de una bomba centrífuga. Fuente: (Best Pumpworks, 2008).
Como se puede observar en la Figura 2-4, cada diámetro de impulsor disponible para el modelo
de la bomba centrífuga en cuestión, tiene una curva de la bomba. Adicionalmente, se pueden
observar las curvas de igual eficiencia, que son aquellas que intersectan a las curvas de la
bomba, y cuál es el punto de máxima eficiencia, que en este caso corresponde a un caudal de
3800 gpm con una altura piezométrica total (por etapa de la bomba) de 700 ft y un impulsor de
13,78 in de diámetro (obteniendo una eficiencia máxima de la bomba de 84,5%).
Por último, se tienen las curvas del sistema. Al igual que las curvas de la bomba, las curvas del
sistema son curvas de caudal contra altura piezométrica total. Como se mencionó
anteriormente, estas curvas pueden ser construidas por el diseñador teniendo en cuenta la
ecuación de Bernoulli y la ecuación de Darcy Weisbach para calcular las pérdidas por fricción.
La ecuación que permite construir las curvas del sistema es la siguiente:
𝐻
𝑚
= 𝐻
𝑇
+ (∑ 𝑓
𝑖
𝑙
𝑖
𝑑
𝑖
+ ∑ 𝑘
𝑚𝑖
)
𝑄
2
2𝑔𝐴
2
Ecuación 2-11. Conservación de la energía para sistemas
bomba-tubería.
donde:
𝑓: factor de fricción de Darcy.
𝑙: longitud de la tubería.
𝑑: diámetro de la tubería.
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𝑄: caudal bombeado.
𝐴: área de la sección transversal de la tubería.
𝑘
𝑚
: coeficiente de pérdidas menores.
𝐻
𝑇
: altura topográfica que debe ser vencida por la bomba.
𝑖: subíndice de la tubería.
Como se puede observar en la Ecuación 2-11, la curva del sistema dependerá de las
características físicas de la tubería, como la longitud, el diámetro, los accesorios y la rugosidad
absoluta de esta (Saldarriaga, 2007). A continuación se presenta una curva del sistema para un
sistema bomba-tubería:
Gráfica 2-6. Curva del sistema para un sistema bomba-tubería. Fuente: (Saldarriaga, 2007).
La importancia de estas curvas radica en la determinación del punto de operación de la bomba,
que corresponde al caudal que está siendo enviado y la altura dinámica suministrada por la
bomba (Saldarriaga, 2007). Teniendo la curva de la bomba y la curva del sistema, se establece
el punto de operación de la bomba como aquel en el cual estas dos curvas se intersectan.
Además, si se tiene la curva de eficiencia, se determina también la eficiencia de este punto. La
determinación del punto de operación se ilustra gráficamente en la siguiente figura:
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Figura 2-5. Determinación del punto de operación de una bomba. Adaptada de: (Saldarriaga, 2007).
A lo largo de este proyecto, se trabajará con las curvas de la bomba y de eficiencia de cada una
de las bombas centrífugas empleadas en las estaciones de bombeo del oleoducto Cusiana – La
Belleza – Vasconia – Coveñas. De igual forma, se mostrará cómo se modifican estas curvas
cuando el fluido que debe ser bombeado es crudo ligero o pesado.
2.3.5.4 Limitaciones en la altura de succión
Para impedir que se tengan valores de presión menores a la presión atmosférica en las paletas
del impulsor de una bomba centrífuga o en la tubería de succión y, por consiguiente, evitar la
ocurrencia del fenómeno de cavitación, es necesario que la presión a la entrada de la bomba sea
menor que cierto límite. Este límite se establece a partir de un término conocido como la altura
neta de succión positiva (NPSH, por su nombre en inglés, Net Positive Suction Head), el cual
representa la altura (energía potencial de presión por unidad de peso) absoluta a la entrada por
encima de la presión de vapor (Saldarriaga, 2007). La NPSH está definida entonces de la
siguiente manera:
𝑁𝑃𝑆𝐻 =
𝑃
𝑠
− 𝑃
𝑣
𝜌𝑔
=
𝑃
𝑎
𝜌𝑔
− 𝐻
𝑠
−
𝑃
𝑣
𝜌𝑔
Ecuación 2-12. Altura neta de succión positiva.
donde:
𝜌: densidad del fluido.
𝑃
𝑠
: presión de succión.
𝑃
𝑣
: presión de vapor.
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𝑃
𝑎
: presión atmosférica absoluta.
𝐻
𝑠
: altura de succión.
Como se observa en la Figura 2-4, la NPSH es un dato que es suministrado por el fabricante. Si
no es suministrado, al igual que las curvas de la bomba y de eficiencia, puede obtenerse en el
laboratorio.
De igual manera, la altura de succión está definida de la siguiente manera:
𝐻
𝑠
= ℎ
𝑠
+ ℎ
𝑓𝑠
+
𝑣
𝑠
2
2𝑔
+ ℎ
𝑚𝑒
Ecuación 2-13. Altura de succión.
donde:
ℎ
𝑠
: altura de la bomba con respecto al nivel del fluido en el tanque donde se está succionando
caudal.
ℎ
𝑓𝑠
: pérdidas por fricción en la tubería de succión.
𝑣
𝑠
: velocidad en la tubería de succión.
ℎ
𝑚𝑒
: pérdidas menores causadas a la entrada de la tubería de succión.
Teniendo en cuenta la Ecuación 2-12 y la Ecuación 2-13, se puede entonces hallar a qué altura
se debe colocar la bomba con respecto al nivel del fluido en el tanque donde se está succionando
caudal (h
s
), con el fin de evitar la ocurrencia del fenómeno de cavitación en la bomba y en la
tubería de succión.
En los sistemas de oleoductos por bombeo, se tiene en cuenta también una altura neta de
succión positiva conocida como NPSH3. La NPSH3 es una característica de las bombas
rotodinámicas que representa la diferencia entre la altura neta de succión y la altura
correspondiente a la presión de vapor en la entrada de la bomba necesaria para prevenir
pérdidas (causadas por obstrucciones provenientes del vapor de cavitación) de más de 3% en
la altura piezométrica total de la bomba. La razón de tener en cuenta la NPSH3 radica en que, a
diferencia de la NPSH que se ve afectada por la densidad del fluido a bombear, la NPSH3 se ve
afectada por la viscosidad cinemática del fluido (Hydraulic Institute, 2010).
2.3.5.5 Configuraciones de las bombas
En un sistema bomba-tubería, las bombas pueden tienen dos posibles configuraciones:
configuración en serie y configuración en paralelo.
En la configuración en paralelo, el caudal a bombear se divide en el número de bombas que se
tengan en paralelo. Sin embargo, todas las bombas generan la misma altura de presión
piezométrica, es decir, la altura piezométrica total.
En la configuración en serie, la totalidad del caudal a bombear pasa por cada una de las bombas
que se tengan en serie, pero la altura de presión piezométrica se divide en el número de bombas
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y se va sumando, obteniendo al final de la configuración la altura piezométrica total. En esta
configuración, la altura de presión piezométrica de succión es menor, por lo cual la NPSH es
menor.
2.3.6 Oleoducto como una tubería en serie
De forma simplificada, un oleoducto puede ser visto como un sistema de tuberías en serie. Las
tuberías en serie son dos o más tuberías colocadas una a continuación de la otra, las cuales se
pueden diferenciar en los diámetros y/o en las rugosidades (es decir, las tuberías pueden estar
hechas de materiales diferentes) (Saldarriaga, 2007). Los oleoductos que se tienen en Colombia
están fabricados en acero, por lo cual se puede decir que la única característica física que varía
en estos, es el diámetro.
En cualquier sistema de tuberías en serie, se conserva tanto la energía, como la masa. La
conservación de energía establece que la altura topográfica debe ser equivalente a la suma de
las pérdidas por fricción y las pérdidas menores que se generan a lo largo de las tuberías que
conforman la serie. Si se tienen en cuenta las características físicas de la tubería, la conservación
de la energía puede expresarse a través de la siguiente ecuación:
𝐻
𝑇
= (∑ 𝑓
𝑖
𝑙
𝑖
𝑑
𝑖
𝑛
𝑖=1
+ ∑ 𝑘
𝑚𝑖
𝑚
𝑖=1
)
𝑣
𝑖
2
2𝑔
Ecuación 2-14. Conservación de la energía en un sistema
de tuberías en serie.
donde:
𝐻
𝑇
: altura topográfica.
𝑓: factor de fricción de Darcy.
𝑙: longitud de la tubería.
𝑑: diámetro de la tubería.
𝑘
𝑚
: coeficiente de pérdidas menores.
𝑣: velocidad media de la tubería.
𝑛: número de tuberías.
𝑚: número de accesorios.
La conservación de la energía es fundamental en los sistemas de oleoductos por bombeo, ya
que permite calcular la potencia que debe ser suministrada por las bombas para que el crudo
llegue a su destino con la altura de presión solicitada.
Por otro lado, la conservación de la masa establece que el caudal total que pasa por el sistema
es igual al caudal que pasa por cualquier tubería más todos los caudales laterales aguas arriba
de ésta (Saldarriaga, 2007). La conservación de la masa se expresa mediante la ecuación de
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continuidad, que puede ser generalizada de la siguiente forma para un sistema de tuberías en
serie:
𝑄
𝑇
= 𝑄
𝛼
+ ∑ 𝑄
𝐿𝑖
𝛼−1
𝑖=1
Ecuación 2-15. Conservación de la masa en un sistema de
tuberías en serie.
donde:
𝑄
𝑇
: caudal total que pasa por el sistema de tuberías en serie.
𝑄
𝛼
: caudal que pasa por la tubería 𝛼 de la serie.
𝑄
𝐿
: caudales laterales en las uniones localizadas aguas arriba de la tubería 𝛼 de la serie.
Para los sistemas de oleoductos por bombeo, los caudales laterales corresponden a los caudales
almacenados en los tanques de almacenamiento de las estaciones de bombeo.
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3 MODELACIÓN HIDRÁULICA DE UN OLEODUCTO. MODELO
HIDRÁULICO ESTABLE DE LA EMPRESA OLEODUCTO
CENTRAL S.A. – OCENSA
Para el desarrollo de este proyecto de grado, se utilizó el software Modelo Estable y Extendido
desarrollado por el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA de la
Universidad de los Andes. Este software es utilizado por la empresa OLEODUCTO CENTRAL S.A.
– OCENSA para efectuar el análisis hidráulico de su oleoducto. El software consta de 10 hojas
electrónicas en Excel que permiten modelar la operación del oleoducto Cusiana – La Belleza –
Vasconia – Coveñas bajo diferentes configuraciones de batcheo
1
y de bombeo, y permite hacer
un análisis de la hidráulica del oleoducto en estado estable y en periodo extendido (Centro de
Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA, 2012). Sin embargo, de acuerdo con
el objetivo general del presente proyecto de grado, se realizaron análisis hidráulicos en estado
estable solamente. Por esta razón, se utilizaron solamente 6 de las 10 hojas electrónicas: INICIO,
BATCHES, BOMBAS, DRA, HIDRÁULICA y PERFILES. A continuación, se describe brevemente
cada una de estas hojas:
INICIO: interfaz principal del software. Permite ingresar datos de entrada como el
número de bombas en línea, presión de succión deseada, caudal y porcentaje de
reducción de fricción con DRA para cada una de las estaciones de bombeo. De igual
manera, permite visualizar si se generan alamas de caudal, velocidad y potencia en las
estaciones de bombeo, el mínimo margen a la Slack Line y a la MAOP, y otros resultados
principales de las simulaciones.
BATCHES: contiene la información (gravedad API, G
s
(60°F) y viscosidad cinemática del
crudo a dos temperaturas diferentes) de cada uno de los tipos de crudo existentes en
Colombia y mezclas entre estos. Su función principal es el ingreso de los trenes de
batcheo que se transportan en el oleoducto para cada simulación. De igual manera,
permite generar nuevas mezclas, requiriendo como datos de entrada el volumen de
cada crudo contenido en la mezcla (en bpd) y la fracción porcentual de este en la mezcla.
BOMBAS: Contiene la información general de la configuración de bombeo por estación,
así como las curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de cada una de las bombas.
Asimismo, contiene la información correspondiente al comportamiento de las bombas
con agua y permite realizar correcciones a las curvas anteriormente mencionadas por
la viscosidad cinemática del crudo y la velocidad rotacional de operación de la bomba.
DRA: contiene las curvas de reducción porcentual de fricción contra concentración de
DRA (en ppm) para cada tipo de crudo transportado.
HIDRÁULICA: contiene información detallada por abscisa. Se tienen características
topológicas, características de la tubería, información del fluido transportado,
1
La empresa OLEODUCTO CENTRAL S.A. – OCENSA realiza el transporte de crudo a través de los sistemas
de oleoductos por bombeo de dos formas: por batcheo y mezclado. El transporte de crudo por batcheo
consiste en impulsar de manera individual fracciones de crudo de la misma clasificación (OLEODUCTO
CENTRAL S.A. – OCENSA, 2013).
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características termohidráulicas e hidráulicas y algunas propiedades de las estaciones
de bombeo.
PERFILES: presenta resultados gráficos de las simulaciones en cuanto a alturas
piezométricas se refiere. Por ende, permite asegurar de manera gráfica que no haya
presiones negativas en el oleoducto y que la línea de gradiente hidráulico se encuentre
por encima de la Slack Line y por debajo de la MAOP.
De igual manera, es importante resaltar que el software fue desarrollado para las unidades
típicas de la industria petrolera. Estas unidades y su conversión al sistema internacional de
unidades (SI) se presentan a continuación:
Tabla 3-1. Equivalencia entre las unidades típicas de la industria petrolera y el Sistema Internacional de Unidades (SI).
Concepto
Unidad típica
Sistema Internacional
de Unidades (SI)
Equivalencia
Viscosidad cinemática
cSt
m
2
/s
1cSt = 1 × 10
−6
m
2
/s
Altura piezométrica
total
psi
mcc
1psi = 1mcc × ρ [kg/m
3
]
× 0,001423
Caudal
gpm
m3/s
1gpm = 0.0000631m
3
/s
bpd
m3/s
1bpd = 0.00000138010 m
3
/s
Potencia
hp
W
1hp = 746W
Los software de simulación como el Modelo Estable y Extendido, son un componente
fundamental de los sistemas de control en tiempo real y adquisición de datos SCADA
2
(Supervisory Data Acquisition and Control), debido a que permiten monitorear la operación del
oleoducto. Estos tienen como finalidad evaluar las condiciones de las bombas y las válvulas del
oleoducto, ver cómo se pude mantener el funcionamiento correcto de estas, validar los cambios
que se realicen en el oleoducto, y proveer entradas para programas de seguimiento de batches
y alarmas (Trung, 1995).
2
La empresa OLEODUCTO CENTRAL S.A. – OCENSA, cuenta con un sistema SCADA en la estación La
Belleza.
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4 EFECTOS DE LA DISMINUCIÓN DE VISCOSIDAD EN LAS
BOMBAS
Los primeros efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad que fueron evaluados para los
sistemas de oleoductos por bombeo, fueron las correcciones que se le deben hacer a las curvas
de la bomba, las curvas de eficiencia y las curvas de potencia (curvas de caudal contra potencia
absorbida por la bomba) de las bombas que se emplean en las estaciones de bombeo, cuando
se bombea un fluido con una viscosidad superior a la del agua (como lo es el caso del crudo
ligero y el crudo pesado), lo cual genera un aumento en las pérdidas por fricción y reduce el
desempeño de la bombas.
Las correcciones que se realizan a estas tres curvas, determinan cuál es la altura piezométrica
total que debe generar la bomba para lograr transportar un caudal determinado (curvas de la
bomba), qué eficiencia tendrá la bomba al transportar este caudal (curvas de eficiencia) y cuál
es la potencia requerida por la bomba para lograr transportar este caudal (curvas de potencia).
En el software, una primera serie de correcciones, se realizan siguiendo la metodología
establecida en el estándar American National Standard (Guideline) for Effects of Liquid Viscosity
on Rotodynamic (Centrifugal and Vertical) Pump Performance (ANSI/HI 9.6.7-2010) (Hydraulic
Institute, 2010). Como su nombre lo indica, el estándar es una guía para evaluar los efectos de
la viscosidad en bombas rotodinámicas, como lo son las bombas centrífugas que se utilizan en
los sistemas de oleoductos por bombeo. Por esta razón, las especificaciones presentadas en él,
no aplican para corregir los efectos de viscosidad en otro tipo de bombas, como las bombas de
desplazamiento positivo que son empleadas en los pozos de explotación de crudo pesado. De
igual forma, cabe resaltar que la metodología presentada en el estándar para realizar las
correcciones, está basada en métodos empíricos, razón por la cual se obtiene un desempeño
aproximado de la bomba cuando esta bombea un fluido con viscosidad superior a la del agua, y
no su desempeño real en campo.
Las correcciones que se realizan y repercuten de manera directa en las curvas mencionadas,
son tres: corrección a la altura piezométrica total de la bomba (C
H
), corrección al caudal que
puede ser transportado por la bomba (C
Q
) y corrección a la eficiencia de la bomba (C
η
). La
determinación de estos factores de corrección depende exclusivamente de un número de
Reynolds ajustado a la velocidad específica de la bomba, denominado parámetro B (Hydraulic
Institute, 2010). El parámetro B se calcula con la siguiente ecuación:
𝐵 = 26,6
𝜈
𝑣𝑖𝑠
0,5
𝐻
𝐵𝐸𝑃−𝑊
0,0625
𝑄
𝐵𝐸𝑃−𝑊
0,375
𝑁
0,25
Ecuación 4-1. Parámetro B.
donde:
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𝜈
𝑣𝑖𝑠
: viscosidad cinemática del fluido a bombear [cSt]
3
.
𝐻
𝐵𝐸𝑃−𝑊
: altura piezométrica total de la bomba en el punto de mayor eficiencia con agua [ft].
𝑄
𝐵𝐸𝑃−𝑊
: caudal en el punto de mayor eficiencia con agua [gpm].
𝑁: velocidad rotacional de la bomba [rpm].
Dependiendo del valor del parámetro B, C
H
, C
Q
y C
η
se calculan de la siguiente manera:
1. B≤1
𝐶
𝐻
= 𝐶
𝑄
= 𝐶
𝜂
= 1
Ecuación 4-2. C
H
, C
Q
y C
η
para B≤1.
2. 1<B<40
𝐶
𝑄
= 2,71
−0,165(log
10
𝐵)
3,15
Ecuación 4-3. C
Q
para 1<B<40.
𝐶
𝐻
= 1 − [(1 − 𝐶
𝑄
) (
𝑄
𝑊
𝑄
𝐵𝐸𝑃−𝑊
)
0,75
]
Ecuación 4-4.C
H
para 1<B<40.
donde:
𝐵: parámetro B.
𝑄
𝑊
: valores de caudal menores o mayores al caudal en el punto de mayor eficiencia con agua
[gpm].
𝑄
𝐵𝐸𝑃−𝑊
: caudal en el punto de mayor eficiencia con agua [gpm].
𝐶
𝜂
= 𝐵
−(0,0547𝐵
0,69
)
Ecuación 4-5.C
η
para 1<B<40.
Cuando el parámetro B es mayor o igual a 40 (B≥40), se requiere un análisis teórico de pérdidas
por fricción y un balance de potencia para determinar las curvas de la bomba, de eficiencia y de
potencia. Estos análisis están por fuera del alcance del proyecto de grado y no fueron
implementados en el software, debido a que se está siempre en los dos primeros rangos del
parámetro B cuando se trabaja con crudos ligeros, medianos, pesados o extrapesados.
Teniendo en cuenta estos factores de corrección, el software realiza una primera corrección a
las curvas de la bomba, eficiencia y potencia de la bomba que se tienen (es decir, aquellas que
corresponden al comportamiento de la bomba con agua) de la siguiente manera:
3
Esta viscosidad cinemática debe ser mayor a la viscosidad cinemática del agua. Las viscosidades
cinemáticas de los crudos (ligeros, medianos, pesados y extrapesados) cumplen a cabalidad con esta
condición.
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𝑄
𝑣𝑖𝑠
= 𝐶
𝑄
𝑄
𝑊
Ecuación 4-6. Determinación del caudal que puede
transportar la bomba con un fluido viscoso a partir del
caudal de la bomba con agua.
𝐻
𝑣𝑖𝑠
= 𝐶
𝐻
𝐻
𝑊
Ecuación 4-7. Determinación de la altura piezométrica
total con un fluido viscoso a partir de la altura
piezométrica total con agua.
𝜂
𝑣𝑖𝑠
= 𝐶
𝜂
𝜂
𝑊
Ecuación 4-8.Determinación de la eficiencia de la bomba
con un fluido viscoso a partir de la eficiencia de la bomba
con agua.
𝑃
𝑣𝑖𝑠
=
𝑄
𝑣𝑖𝑠
𝐻
𝑣𝑖𝑠
𝑠
3960𝜂
𝑣𝑖𝑠
Ecuación 4-9.Determinación de la potencia absorbida por
la bomba con un fluido viscoso a partir de la potencia
consumida por la bomba con agua.
donde:
𝑄
𝑊
: caudal de la bomba con agua [gpm].
𝐻
𝑊
: altura piezométrica total generada por la bomba con agua [ft].
𝜂
𝑊
: eficiencia de la bomba con agua.
𝑠: potencia del eje de transmisión de la bomba en brake horsepower [BHP].
En las ecuaciones anteriores, el subíndice vis hace referencia al fluido viscoso con el que se está
trabajando, en este caso crudo de cualquier clasificación, mientras que el subíndice W hace
referencia al agua. Con estas correcciones se construyen curvas preliminares de la bomba, de
eficiencia y de potencia.
Una segunda y última serie de correcciones, son las que se deben hacer a las curvas
preliminares de la bomba, de eficiencia y de potencia obtenidas por la velocidad rotacional de
operación de la bomba cuando ésta opera con crudo (N
o
). En el software, la determinación de
la velocidad rotacional de operación de la bomba se realiza mediante el método numérico de la
falsa posición (Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA, 2012). Con
esta velocidad, se hace establece una relación entre la velocidad rotacional de operación de la
bomba cuando ésta trabaja con crudo, y la velocidad rotacional de referencia (N), es decir, la
velocidad rotacional de la bomba cuando ésta opera con agua. El factor de relación obtenido
modifica los valores de caudal que puede ser bombeado, altura piezométrica total y de potencia
absorbida por la bomba (Hydraulic Institute, 2010) de la siguiente forma:
𝑄
𝑣𝑖𝑠𝑁
𝑜
= 𝑄
𝑣𝑖𝑠
𝑁
𝑜
𝑁
Ecuación 4-10. Caudal que puede ser transportado por la
bomba con un fluido viscoso, corregido por la velocidad
rotacional de operación de la bomba.
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27
𝐻
𝑣𝑖𝑠𝑁
𝑜
= 𝐻
𝑣𝑖𝑠
(
𝑁
𝑜
𝑁
)
2
Ecuación 4-11. Altura piezométrica total con un fluido
viscoso, corregida por la velocidad rotacional de operación
de la bomba.
𝑃
𝑣𝑖𝑠𝑁
𝑜
= 𝑃
𝑣𝑖𝑠
(
𝑁
𝑜
𝑁
)
3
Ecuación 4-12. Potencia absorbida por la bomba con un
fluido viscoso, corregida por la velocidad rotacional de
operación de la bomba.
donde:
𝑄
𝑣𝑖𝑠
: caudal de la bomba con un fluido viscoso, en este caso, crudo de cualquier clasificación
[gpm].
𝐻
𝑣𝑖𝑠
: altura piezométrica total generada por la bomba con un fluido viscoso, en este caso, crudo
de cualquier clasificación [ft].
𝑃
𝑣𝑖𝑠
: potencia absorbida por la bomba con un fluido viscoso, en este caso, crudo de cualquier
clasificación [BHP].
𝑁
𝑜
: velocidad rotacional de operación de la bomba cuando ésta opera con un fluido viscoso, en
este caso, crudo de cualquier clasificación [rpm].
𝑁: velocidad rotacional de referencia [rpm].
Cabe resaltar que esta segunda corrección sólo aplica para las bombas centrífugas de velocidad
rotacional variable. En el modelo hidráulico estable, todas las bombas de las estaciones de
bombeo son bombas centrífugas de velocidad rotacional variable, exceptuando la bomba
booster de la estación de bombeo El Porvenir.
Teniendo en cuenta esto, en este proyecto de grado se realizaron simulaciones en cada una de
las bombas de las estaciones de bombeo para crudo ligero Cusiana (2,26 cSt a 104°F), crudo
pesado Castilla (175,1 cSt a 104°F) y crudo pesado Castilla disminuyendo su viscosidad
cinemática en un 99%. Sin embargo, para ilustrar los efectos de la disminución de viscosidad
en las bombas, se presentará únicamente la serie de simulaciones realizada en la bomba
principal de la estación de bombeo Cusiana.
La primera simulación que se realizó, fue la bomba operando con crudo Cusiana. Los datos de
entrada son los resaltados en azul en la siguiente tabla:
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Tabla 4-1. Datos de entrada de la simulación de la bomba principal Cusiana con crudo Cusiana.
Asimismo, se presentan los datos de la curva de la bomba con agua, de la determinación de la
velocidad rotacional de operación de la bomba, de las correcciones respectivas y, por último, se
presentan las curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia obtenidas:
Tabla 4-2. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Cusiana.
5
Etapas
15
in
3960
rpm
2.26
cSt
15
in
0.817
7000
gpm
6348.6
gpm
1060
ft-agua
3511.2
ft
84.0
%
1783.47
OK
1
cSt
0.28
OK
1
-
1
4158
rpm
Mirar tabla "Corrección por viscosidad"
2994
rpm
1
1
-
C
η
Velocidad rotacional mínima
dn/d
Información inicial
Número de etapas de la bomba
Nuevo diámetro del impulsor de la bomba (dn)
Velocidad de referencia (N)
Viscosidad cinemática del crudo
Q BEP-W
Caudal (Total por bomba)
H BEP-W (por etapa)
Altura piezométrica (Total por bomba)
η BEP-W
Velocidad específica de la bomba (Ns)
Viscosidad cinemática del agua
Parámetro B
Gravedad específica del agua
CQ
Velocidad rotacional máxima
CH
Diámetro del impulsor de la bomba referencia (d)
Gravedad específica del crudo
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
6800.0
6800.2
0.0
0.0
0.0
1.0
6800.0
0.0
0.0
1000.0
6750.0
6750.7
0.3
7411.8
23.0
1000.0
1.0
6750.0
0.3
6054.8
23.0
2000.0
6700.0
6692.8
0.5
7861.0
43.0
2000.0
1.0
6700.0
0.5
6429.3
43.0
3000.0
6650.0
6667.1
0.8
8560.8
59.0
3000.0
1.0
6650.0
0.8
6976.2
59.0
4000.0
6600.0
6585.3
1.0
9238.7
72.0
4000.0
1.0
6600.0
1.0
7564.8
72.0
5000.0
6350.0
6347.6
1.3
10018.2
80.0
5000.0
1.0
6350.0
1.3
8188.1
80.0
6000.0
5900.0
5909.8
1.5
10659.8
84.0
6000.0
1.0
5900.0
1.5
8694.6
84.0
7000.0
5300.0
5301.0
1.8
11155.4
84.0
7000.0
1.0
5300.0
1.8
9112.2
84.0
8000.0
4600.0
4590.7
2.0
11310.0
82.0
8000.0
1.0
4600.0
2.0
9258.9
82.0
9000.0
3800.0
3805.9
2.3
11233.6
77.0
9000.0
1.0
3800.0
2.3
9163.5
77.0
10000.0
2800.0
2798.8
2.5
10708.5
66.0
10000.0
1.0
2800.0
2.5
8752.7
66.0
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
0.0
4720.2
0.0
0.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
833.2
4685.5
0.3
3501.8
23.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
1666.3
4650.8
0.5
3718.3
43.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
2499.5
4616.1
0.8
4034.6
59.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
3332.6
4581.4
1.0
4375.0
72.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
4165.8
4407.9
1.3
4735.5
80.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
4998.9
4095.5
1.5
5028.4
84.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
5832.1
3679.0
1.8
5269.9
84.0
6665.3
3193.1
2.0
5354.8
82.0
7498.4
2637.8
2.3
5299.6
77.0
8331.6
1943.6
2.5
5062.0
66.0
3299.3
rpm
Alarms
Speed
Normal
820.5
rpm
0.833
1.924
83.0
%
5537.7
BHP
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en
los sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
29
Gráfica 4-1. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba principal de la estación de bombeo Cusiana con crudo ligero Cusiana.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
to
tal
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Cusiana Main
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (correción por viscosidad)
Curva de la bomba (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
30
Como se observa en la Gráfica 4-1 y en la Tabla 4-2, el comportamiento de la bomba cuando
esta bombea un crudo ligero (en este caso, crudo Cusiana), no difiere de forma significativa a
cuando esta bombea agua, en cuanto a eficiencia y velocidad rotacional de la bomba se refiere.
El valor de eficiencia de la bomba obtenido cuando se transporta crudo Cusiana es de 83,0%, es
decir, un valor de eficiencia 1,0% menor que la mayor eficiencia que se puede obtener cuando
se bomba agua. Por otro lado, el factor de relación entre la velocidad rotacional de operación
de la bomba y la velocidad rotacional de referencia (No/N) fue de 0.833, lo cual indica que la
velocidad rotacional de la bomba se disminuye en un 16,7% cuando esta opera con crudo
Cusiana.
De igual forma, la Gráfica 4-1 y en la Tabla 4-2 indican que el mayor efecto hidráulico que se
presenta cuando se transporta crudo ligero, es la disminución de la potencia absorbida por la
bomba. La potencia absorbida por la bomba obtenida cuando esta bombea crudo Cusiana fue
de 5537,7 BHP. Cuando se simula agua, al corregir la curva de potencia por la velocidad
rotacional de operación de la bomba, se obtiene que la potencia absorbida por la bomba cuando
esta bombea agua en el punto de mayor eficiencia es de 6450,3 BHP. Esto significa que la bomba
reduce potencia absorbida en un 14,15% cuando se bombea crudo ligero, indicando que el
transporte de crudo ligero de una estación de bombeo a otra llega a ser incluso más fácil que el
transporte de agua en el punto de mayor eficiencia, ya que la potencia requerida por la bomba
para bombear el crudo ligero es 14,15% menor a la requerida para bombear agua en el punto
de mayor eficiencia.
La segunda simulación que se realizó, fue la bomba operando con crudo Castilla. Los datos de
entrada son los resaltados en azul en la siguiente tabla:
Tabla 4-3. Datos de entrada de la simulación de la bomba principal Cusiana con crudo Castilla.
Al igual que en la simulación anterior, se presentan los datos de la curva de la bomba con agua,
de la determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, de las correcciones
respectivas y, por último, se presentan las curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia
obtenidas:
5
Etapas
15
in
3960
rpm
175.1
cSt
15
in
0.943
7000
gpm
6348.6
gpm
1060
ft-agua
3511.2
ft
84.0
%
1783.47
OK
1
cSt
2.48
OK
1
-
0.991270145
4158
rpm
Mirar tabla "Corrección por viscosidad"
2994
rpm
0.911279029
1
-
C
η
Velocidad rotacional mínima
dn/d
Información inicial
Número de etapas de la bomba
Nuevo diámetro del impulsor de la bomba (dn)
Velocidad de referencia (N)
Viscosidad cinemática del crudo
Q BEP-W
Caudal (Total por bomba)
H BEP-W (por etapa)
Altura piezométrica (Total por bomba)
η BEP-W
Velocidad específica de la bomba (Ns)
Viscosidad cinemática del agua
Parámetro B
Gravedad específica del agua
CQ
Velocidad rotacional máxima
CH
Diámetro del impulsor de la bomba referencia (d)
Gravedad específica del crudo
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
31
Tabla 4-4. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla.
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
6800.0
6800.2
0.0
0.0
0.0
1.0
6800.0
0.0
0.0
1000.0
6750.0
6750.7
0.3
7411.8
23.0
991.3
1.0
6736.3
0.3
7586.7
21.0
2000.0
6700.0
6692.8
0.5
7861.0
43.0
1982.5
1.0
6677.1
0.5
8044.7
39.2
3000.0
6650.0
6667.1
0.8
8560.8
59.0
2973.8
1.0
6619.2
0.8
8718.4
53.8
4000.0
6600.0
6585.3
1.0
9238.7
72.0
3965.1
1.0
6562.1
1.0
9443.4
65.6
5000.0
6350.0
6347.6
1.3
10018.2
80.0
4956.4
1.0
6306.9
1.3
10210.7
72.9
6000.0
5900.0
5909.8
1.5
10659.8
84.0
5947.6
1.0
5854.1
1.5
10831.5
76.5
7000.0
5300.0
5301.0
1.8
11155.4
84.0
6938.9
1.0
5253.7
1.8
11340.8
76.5
8000.0
4600.0
4590.7
2.0
11310.0
82.0
7930.2
1.0
4555.6
2.0
11512.8
74.7
9000.0
3800.0
3805.9
2.3
11233.6
77.0
8921.4
1.0
3759.9
2.3
11383.9
70.2
10000.0
2800.0
2798.8
2.5
10708.5
66.0
9912.7
1.0
2768.1
2.5
10864.0
60.1
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
0.0
4773.4
0.0
0.0
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
830.5
4728.7
0.3
4462.0
21.0
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
1661.0
4687.2
0.5
4731.4
39.2
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
2491.6
4646.5
0.8
5127.6
53.8
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
3322.1
4606.4
1.0
5554.1
65.6
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
4152.6
4427.3
1.3
6005.3
72.9
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
4983.1
4109.4
1.5
6370.5
76.5
2994.0
-1115.5
4158.0
2894.1
3317.8
-137.4
5813.7
3688.0
1.8
6670.0
76.5
6644.2
3197.9
2.0
6771.1
74.7
7474.7
2639.4
2.3
6695.3
70.2
8305.2
1943.1
2.5
6389.5
60.1
3317.8
rpm
Alarms
Speed
Normal
825.1
rpm
0.838
1.913
75.6
%
7019.2
BHP
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en
los sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
32
Gráfica 4-2. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba principal de la estación de bombeo Cusiana con crudo pesado Castilla.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
to
tal
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Cusiana Main
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (correción por viscosidad)
Curva de la bomba (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
33
Como se observa en la Gráfica 4-2 y en la Tabla 4-4, el comportamiento de la bomba cuando
esta bombea un crudo pesado (en este caso, crudo Castilla), es completamente opuesto a
cuando esta bombea un crudo ligero, en cuanto a eficiencia de la bomba se refiere. El valor de
eficiencia obtenido cuando se transporta crudo Castilla es de 75,6%, es decir, un valor de
eficiencia 8,4% menor que la mayor eficiencia que se puede obtener cuando se bomba agua, y
7,4% menor que la eficiencia alcanzada por la bomba cuando se bombea crudo Cusiana. Por
otro lado, el factor de relación entre la velocidad rotacional de operación de la bomba y la
velocidad rotacional de referencia (No/N) fue igual al obtenido con crudo Cusiana, es decir,
0,833. Sin embargo, se puede observar que la velocidad rotacional de operación de la bomba
con crudo Castilla es de 3317,8 rpm, es decir, mayor a la obtenida con crudo Cusiana (3299,3
rpm). Aun así, se puede concluir que la velocidad rotacional de la bomba no varía de manera
sustancial con respecto al crudo se está bombeando, disminuyendo en un 16,7% (con respecto
a la velocidad rotacional de referencia) cuando esta opera con crudo Cusiana o con crudo
Castilla.
Como era de esperarse, la potencia absorbida por la bomba cuando se bombea crudo Castilla
resultó ser un 21,10% mayor a la obtenida cuando se bombea crudo Cusiana, y 8,10% mayor a
la potencia absorbida por la bomba cuando esta bombea agua en el punto de mayor eficiencia.
Los resultados obtenidos indican que el transporte de crudo pesado es más complicado que el
transporte de crudo ligero, ya que la bomba requiere un 21,10% más de potencia para
transportar el crudo de una estación de bombeo a otra y, además, se bombea con una eficiencia
bastante menor.
La tercera y última simulación realizada, fue la bomba operando con crudo Castilla, cuando la
viscosidad cinemática de este es reducida en un 99%. Los datos de entrada son los resaltados
en azul en la siguiente tabla:
Tabla 4-5. Datos de entrada de la simulación de la bomba principal Cusiana con crudo Castilla (viscosidad cinemática
reducida en un 99%).
Como de costumbre, se presentan los datos de la curva de la bomba con agua, de la
determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, de las correcciones
respectivas y, por último, se presentan las curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia
obtenidas:
5
Etapas
15
in
3960
rpm
1.751
cSt
15
in
0.943
7000
gpm
6348.6
gpm
1060
ft-agua
3511.2
ft
84.0
%
1783.47
OK
1
cSt
0.25
OK
1
-
1
4158
rpm
Mirar tabla "Corrección por viscosidad"
2994
rpm
1
1
-
C
η
Velocidad rotacional mínima
dn/d
Información inicial
Número de etapas de la bomba
Nuevo diámetro del impulsor de la bomba (dn)
Velocidad de referencia (N)
Viscosidad cinemática del crudo
Q BEP-W
Caudal (Total por bomba)
H BEP-W (por etapa)
Altura piezométrica (Total por bomba)
η BEP-W
Velocidad específica de la bomba (Ns)
Viscosidad cinemática del agua
Parámetro B
Gravedad específica del agua
CQ
Velocidad rotacional máxima
CH
Diámetro del impulsor de la bomba referencia (d)
Gravedad específica del crudo
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Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
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sistemas de oleoductos por bombeo.
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34
Tabla 4-6. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla
(viscosidad cinemática reducida en un 99%).
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
6800.0
6800.2
0.0
0.0
0.0
1.0
6800.0
0.0
0.0
1000.0
6750.0
6750.7
0.3
7411.8
23.0
1000.0
1.0
6750.0
0.3
6988.6
23.0
2000.0
6700.0
6692.8
0.5
7861.0
43.0
2000.0
1.0
6700.0
0.5
7420.8
43.0
3000.0
6650.0
6667.1
0.8
8560.8
59.0
3000.0
1.0
6650.0
0.8
8052.1
59.0
4000.0
6600.0
6585.3
1.0
9238.7
72.0
4000.0
1.0
6600.0
1.0
8731.5
72.0
5000.0
6350.0
6347.6
1.3
10018.2
80.0
5000.0
1.0
6350.0
1.3
9450.8
80.0
6000.0
5900.0
5909.8
1.5
10659.8
84.0
6000.0
1.0
5900.0
1.5
10035.5
84.0
7000.0
5300.0
5301.0
1.8
11155.4
84.0
7000.0
1.0
5300.0
1.8
10517.5
84.0
8000.0
4600.0
4590.7
2.0
11310.0
82.0
8000.0
1.0
4600.0
2.0
10686.9
82.0
9000.0
3800.0
3805.9
2.3
11233.6
77.0
9000.0
1.0
3800.0
2.3
10576.7
77.0
10000.0
2800.0
2798.8
2.5
10708.5
66.0
10000.0
1.0
2800.0
2.5
10102.5
66.0
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
0.0
4720.2
0.0
0.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
833.2
4685.5
0.3
4041.8
23.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
1666.3
4650.8
0.5
4291.8
43.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
2499.5
4616.1
0.8
4656.8
59.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
3332.6
4581.4
1.0
5049.8
72.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
4165.8
4407.9
1.3
5465.8
80.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
4998.9
4095.5
1.5
5803.9
84.0
2994.0
-1058.5
4158.0
2977.0
3299.3
-131.5
5832.1
3679.0
1.8
6082.7
84.0
6665.3
3193.1
2.0
6180.6
82.0
7498.4
2637.8
2.3
6116.9
77.0
8331.6
1943.6
2.5
5842.7
66.0
3299.3
rpm
Alarms
Speed
Normal
820.5
rpm
0.833
1.924
83.0
%
6391.8
BHP
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
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Gráfica 4-3. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba principal de la estación de bombeo Cusiana con crudo pesado Castilla (viscosidad cinemática reducida en
un 99%).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
to
tal
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Cusiana Main
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (correción por viscosidad)
Curva de la bomba (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
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Como se puede apreciar en la Gráfica 4-3 y en la Tabla 4-5, cuando se reduce la viscosidad
cinemática del crudo Castilla en un 99%, este se comporta exactamente igual al crudo Cusiana,
en cuanto a eficiencia y velocidad rotacional de la bomba se refiere. Por otro lado, la potencia
absorbida por la bomba es igual a 6391.8 BHP, es decir, 13,36% mayor a la potencia absorbida
obtenida cuando se bombea crudo Cusiana y 0,9% menor a la potencia absorbida obtenida
cuando se bombea agua en el mayor punto de eficiencia. Esto indica que cuando se disminuye
la viscosidad del crudo Castilla en un 99%, la potencia requerida por la bomba para bombear el
crudo pesado es prácticamente igual a la requerida para bombear agua en el punto de mayor
eficiencia, y la eficiencia con que se bombea el crudo pesado es igual a la eficiencia con la que
se bombea el crudo ligero Cusiana.
A partir de las simulaciones se puede concluir que el crudo ligero siempre va a tener ventaja
sobre el crudo pesado en el transporte mediante los sistemas de oleoductos por bombeo, ya
que requiere de menos potencia para ser bombeado. De igual manera, se concluye que este
valor de potencia no depende de la viscosidad cinemática del crudo, sino del valor de la
gravedad específica de este a 60°F (G
s
(60°F)). Adicionalmente, se concluye que entre menor
sea la viscosidad cinemática del crudo, mayor es la eficiencia con la que este puede ser
bombeado y que la viscosidad cinemática del crudo no afecta de manera sustancial la velocidad
rotacional de operación de la bomba.
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5 GENERACIÓN Y CONTROL DE ALARMAS EN LOS SISTEMAS
DE OLEODUCTOS POR BOMBEO
En los sistemas de oleoductos por bombeo, se generan tres tipos de alarma: alarmas de caudal,
alarmas de velocidad y alarmas de potencia. Como se mencionó anteriormente, una de las
finalidades del modelo hidráulico estable es detectar en qué estaciones de bombeo y bajo qué
condiciones de bombeo se generan estas alarmas. En primera instancia, se describirá la
clasificación de los tres tipos de alarma mencionados anteriormente. Subsiguientemente, se
presentará una serie de simulaciones realizadas en el software que muestran cómo se pueden
controlar las alarmas de velocidad, enfocándose en una bomba, con el fin de asegurar
condiciones de operación normales en el oleoducto.
5.1 Tipos de alarmas en los sistemas de oleoductos por bombeo
Las alarmas de caudal que se pueden generar en un sistema de oleoductos por bombeo son dos:
underflow y overflow. Estas alarmas dependen de la relación entre la velocidad rotacional de
operación de la bomba y la velocidad rotacional mínima o máxima de la bomba (alarma de
underflow y alarma de overflow, respectivamente). Esta relación es multiplicada por un valor
de caudal (en gpm) que depende exclusivamente de la estación de bombeo. Las alarmas de
caudal son generadas de la siguiente manera:
1. Underflow
𝑄
𝑣𝑖𝑠 (𝑝𝑜𝑟 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎)𝑖
< 𝑄
𝑒𝑖
𝑁
𝑜𝑖
𝑁
𝑚í𝑛𝑖
Ecuación 5-1. Alarma de caudal underflow.
2. Overflow
𝑄
𝑣𝑖𝑠 (𝑝𝑜𝑟 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎)𝑖
> 𝑄
𝑒𝑖
𝑁
𝑜𝑖
𝑁
𝑚á𝑥𝑖
Ecuación 5-2. Alarma de caudal overflow.
donde:
𝑄
𝑣𝑖𝑠 (𝑝𝑜𝑟 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎)
: caudal por bomba cuando se bombea un fluido viscoso, en este caso, crudo de
cualquier clasificación [gpm].
𝑄
𝑒
: valor de caudal que depende de la estación de bombeo [gpm].
𝑁
𝑜
: velocidad rotacional de operación de la bomba cuando ésta opera con un fluido viscoso, en
este caso, crudo de cualquier clasificación [rpm].
𝑁
𝑚í𝑛
: velocidad rotacional mínima de la bomba [rpm].
𝑁
𝑚á𝑥
: velocidad rotacional máxima de la bomba [rpm].
𝑖: subíndice para indicar la estación de bombeo.
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Al igual que las alarmas de caudal, las alarmas de velocidad se clasifican en dos tipos:
underspeed y overspeed. Por ser alarmas de velocidad, resulta evidente que estas dependen de
la velocidad rotacional de operación, mínima y máxima de la bomba. Las alarmas de velocidad
se generan de la siguiente manera:
1. Underspeed
𝑁
𝑜
< 𝑁
𝑚í𝑛
Ecuación 5-3. Alarma de velocidad underspeed.
2. Overspeed
𝑁
𝑜
> 𝑁
𝑚á𝑥
Ecuación 5-4. Alarma de velocidad overspeed.
donde:
𝑁
𝑜
: velocidad rotacional de operación de la bomba cuando ésta opera con un fluido viscoso, en
este caso, crudo de cualquier clasificación [rpm].
𝑁
𝑚í𝑛
: velocidad rotacional mínima de la bomba [rpm].
𝑁
𝑚á𝑥
: velocidad rotacional máxima de la bomba [rpm].
Como se puede observar en las ecuaciones anteriores, las alarmas de caudal y de velocidad
dependen de la velocidad rotacional de operación de la bomba. Asimismo, se había concluido
en la sección anterior que la viscosidad cinemática del crudo no afecta de manera sustancial la
velocidad rotacional de operación de la bomba. Esta conclusión sigue siendo válida, pero se
debe tener en cuenta que al considerar todas las bombas de cada una de las estaciones de
bombeo (es decir, el funcionamiento de la totalidad del oleoducto), la generación de alarmas
depende fuertemente de la viscosidad del crudo que se está bombeando, especialmente en las
últimas estaciones de bombeo, donde rara vez se obtienen condiciones normales de operación
en las bombas. Esto se evidenciará más adelante en las simulaciones realizadas para la
detección de alarmas en las estaciones de bombeo.
Por último, se tienen las alarmas de potencia. Las alarmas de potencia pueden ser solamente de
un tipo: power limit. Estas alarmas se generan cuando la contribución del impulsor de la bomba
(cuando este opera a un 95% de la velocidad rotacional máxima de la bomba) es menor al
rendimiento que se requiere de este (η
imp
). El rendimiento requerido del impulsor se calcula de
la siguiente manera:
𝜂
𝑖𝑚𝑝
=
𝑃
𝐻𝑣𝑖𝑠
× 100%
𝜂
𝑔𝑒𝑎𝑟𝑏𝑜𝑥
Ecuación 5-5. Rendimiento requerido del impulsor.
donde:
𝑃
𝐻𝑣𝑖𝑠
: potencia hidráulica adicionada por la bomba cuando esta bombea un fluido viscoso, en
este caso, crudo de cualquier clasificación [BHP].
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𝜂
𝑔𝑒𝑎𝑟𝑏𝑜𝑥
: eficiencia de la caja de cambios (cuando la bomba opera con un motor diésel) o del
variador de velocidad (cuando la bomba opera con un motor eléctrico).
5.2 Control de las alarmas de velocidad
La forma más simple de controlar las alarmas de velocidad en un oleoducto es a través de la
incorporación de variadores de velocidad (convertidores directos o indirectos de frecuencia
para las bombas que operan con motor eléctrico y cajas de cambios para las bombas que operan
con motor diésel). Estos variadores tienen como finalidad cambiar la velocidad rotacional
mínima y máxima de las bombas. Sin embargo, es importante resaltar que estos variadores de
velocidad solo pueden ser implementados en bombas de velocidad rotacional variable.
En este proyecto de grado, para el caso de las bombas de velocidad rotacional constante (como
lo es el caso de la bomba booster de la estación de bombeo El Porvenir), se implementaron dos
alternativas de control más para las alarmas de velocidad. La primera de ellas fue almacenar o
inyectar caudal en estaciones aguas arriba a la estación de bombeo donde se encuentra la
bomba a controlar, con el fin de disminuir o aumentar el caudal a bombear. La segunda,
consistió en variar el número de bombas en línea, es decir, apagar o prender motores.
Como se mencionó anteriormente, para ilustrar estas dos alternativas de control se realizó una
serie de simulaciones en una bomba en underspeed, cuando esta bombea crudo pesado Castilla
(175,1 cSt a 104°F). Se seleccionó como bomba en underspeed la bomba booster de la estación
de bombeo El Porvenir.
La primera serie de simulaciones consistió en controlar la alarma de velocidad a través de las
dos alternativas mencionadas anteriormente. Los datos de entrada son los siguientes:
Tabla 5-1. Información general de las condiciones de bombeo.
Tabla 5-2. Datos de entrada de la simulación de la bomba booster El Porvenir con crudo Castilla.
El Porvenir
Booster
Electric
Caudal [Kbpd]
653.0
Caudal [gpm]
19045.8
Número de bombas en línea
4
Información general
2
Etapas
17.26
in
1185
rpm
175.1
cSt
17.26
in
0.943
4410
gpm
4761.5
gpm
78.3065
ft-agua
78.4
ft
73.5
%
2989.44
OK
1
cSt
3.39
OK
1
-
0.978007661
1185
rpm
Mirar tabla "Corrección por viscosidad"
1185
rpm
0.856557327
1
-
dn/d
CH
Gravedad específica del agua
CQ
η BEP-W
Altura piezométrica (Total por bomba)
Información inicial
Número de etapas de la bomba
Nuevo diámetro del impulsor de la bomba (dn)
Velocidad de referencia (N)
Viscosidad cinemática del crudo
Diámetro del impulsor de la bomba referencia (d)
Gravedad específica del crudo
Q BEP-W
Caudal (Total por bomba)
H BEP-W (por etapa)
Velocidad rotacional mínima
C
η
Velocidad específica de la bomba (Ns)
Viscosidad cinemática del agua
Parámetro B
Velocidad rotacional máxima
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Tabla 5-3. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla (bomba
booster El Porvenir).
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
236.3
236.3
0.0
0.0
0.0
1.0
236.3
0.0
0.0
1260.0
225.8
225.6
1.1
237.7
30.2
1232.3
1.0
223.9
1.0
254.0
25.9
1890.0
219.8
220.6
1.6
240.0
43.9
1848.4
1.0
217.3
1.6
254.5
37.6
2730.0
208.2
206.5
2.3
253.3
56.2
2670.0
1.0
205.0
2.3
270.8
48.1
3150.0
194.8
196.4
2.7
237.7
65.7
3080.7
1.0
191.5
2.6
249.5
56.3
3780.0
178.7
178.3
3.2
237.6
71.6
3696.9
1.0
175.2
3.1
251.5
61.3
3990.0
171.3
171.4
3.4
237.4
72.8
3902.3
1.0
167.8
3.3
250.1
62.3
4410.0
156.6
156.6
3.7
237.2
73.5
4313.0
1.0
153.2
3.6
249.7
63.0
4830.0
140.3
140.0
4.1
236.3
72.3
4723.8
1.0
137.0
4.0
249.0
61.9
5250.0
121.0
121.2
4.4
233.3
68.9
5134.5
1.0
117.9
4.3
244.3
59.0
5460.0
111.0
110.9
4.6
231.9
65.9
5339.9
1.0
108.1
4.5
243.4
56.5
6090.0
75.8
75.8
5.1
217.7
53.5
5956.1
1.0
73.7
5.0
227.8
45.9
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
1000.0
-12.9
3000.0
1316.1
1019.5
-6.0
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
1019.5
-6.0
3000.0
1316.1
1028.4
-2.8
0.0
180.6
0.0
0.0
1028.4
-2.8
3000.0
1316.1
1032.6
-1.3
1077.4
171.1
1.0
169.7
25.9
1032.6
-1.3
3000.0
1316.1
1034.4
-0.6
1616.0
166.1
1.6
170.1
37.6
1034.4
-0.6
3000.0
1316.1
1035.3
-0.3
2334.3
156.7
2.3
181.0
48.1
1035.3
-0.3
3000.0
1316.1
1035.7
-0.1
2693.4
146.4
2.6
166.7
56.3
1035.7
-0.1
3000.0
1316.1
1035.9
-0.1
3232.1
133.9
3.1
168.0
61.3
1035.9
-0.1
3000.0
1316.1
1036.0
0.0
3411.7
128.3
3.3
167.2
62.3
1036.0
0.0
3000.0
1316.1
1036.0
0.0
3770.8
117.1
3.6
166.9
63.0
4129.9
104.7
4.0
166.4
61.9
4489.0
90.1
4.3
163.3
59.0
4668.6
82.6
4.5
162.7
56.5
5207.3
56.3
5.0
152.3
45.9
1036
rpm
Alarms
Speed
Underspeed
257.7
rpm
0.9
4.596
54.9
%
161.9
BHP
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en
los sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
41
Gráfica 5-1. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
50
100
150
200
250
300
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Booster El Porvenir
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (correción por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
42
1. Primera alternativa de control. Aumento de caudal de 653 Kbpd a 807 Kbpd.
Tabla 5-4. Información general de las nuevas condiciones de bombeo (primera alternativa de control).
Tabla 5-5. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla
(condiciones de bombeo primera alternativa de control).
El Porvenir
Booster
Electric
Caudal [Kbpd]
807.0
Caudal [gpm]
23537.5
Número de bombas en línea
4
Información general
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
236.3
236.3
0.0
0.0
0.0
1.0
236.3
0.0
0.0
1260.0
225.8
225.6
1.1
237.7
30.2
1232.3
1.0
223.9
1.0
254.0
25.9
1890.0
219.8
220.6
1.6
240.0
43.9
1848.4
1.0
217.3
1.6
254.5
37.6
2730.0
208.2
206.5
2.3
253.3
56.2
2670.0
1.0
205.0
2.3
270.8
48.1
3150.0
194.8
196.4
2.7
237.7
65.7
3080.7
1.0
191.5
2.6
249.5
56.3
3780.0
178.7
178.3
3.2
237.6
71.6
3696.9
1.0
175.2
3.1
251.5
61.3
3990.0
171.3
171.4
3.4
237.4
72.8
3902.3
1.0
167.8
3.3
250.1
62.3
4410.0
156.6
156.6
3.7
237.2
73.5
4313.0
1.0
153.2
3.6
249.7
63.0
4830.0
140.3
140.0
4.1
236.3
72.3
4723.8
1.0
137.0
4.0
249.0
61.9
5250.0
121.0
121.2
4.4
233.3
68.9
5134.5
1.0
117.9
4.3
244.3
59.0
5460.0
111.0
110.9
4.6
231.9
65.9
5339.9
1.0
108.1
4.5
243.4
56.5
6090.0
75.8
75.8
5.1
217.7
53.5
5956.1
1.0
73.7
5.0
227.8
45.9
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
1000.0
-73.4
3000.0
1270.8
1109.2
-32.1
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
1109.2
-32.1
3000.0
1270.8
1155.8
-12.8
0.0
236.3
0.0
0.0
1155.8
-12.8
3000.0
1270.8
1174.2
-5.0
1232.3
223.9
1.0
254.0
25.9
1174.2
-5.0
3000.0
1270.8
1181.4
-2.0
1848.4
217.3
1.6
254.5
37.6
1181.4
-2.0
3000.0
1270.8
1184.2
-0.8
2670.0
205.0
2.3
270.8
48.1
1184.2
-0.8
3000.0
1270.8
1184.3
-0.7
3080.7
191.5
2.6
249.5
56.3
1184.3
-0.7
3000.0
1270.8
1184.7
-0.6
3696.9
175.2
3.1
251.5
61.3
1184.7
-0.6
3000.0
1270.8
1184.9
-0.5
3902.3
167.8
3.3
250.1
62.3
1184.9
-0.5
3000.0
1270.8
1185.0
-0.4
4313.0
153.2
3.6
249.7
63.0
4723.8
137.0
4.0
249.0
61.9
5134.5
117.9
4.3
244.3
59.0
5339.9
108.1
4.5
243.4
56.5
5956.1
73.7
5.0
227.8
45.9
1185
rpm
Alarms
Speed
Normal
294.7
rpm
1.0
4.966
47.4
%
232.0
BHP
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en
los sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
43
Gráfica 5-2. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (condiciones de bombeo primera
alternativa de control).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
50
100
150
200
250
300
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Booster El Porvenir
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (correción por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
44
Como se puede observar en la Tabla 5-5, la alarma de velocidad de la bomba booster de la
estación de El Porvenir se puede controlar aumentando el caudal a bombear, ya que se pasa de
tener una velocidad rotacional de operación de la bomba de 1036 rpm a tener una de 1185 rpm.
Sin embargo, al hacer una comparación con la Tabla 5-3, la eficiencia de la bomba se ve reducida
en 7,5% y la potencia absorbida por la bomba se incrementa en un 30,21%, ya que se están
bombeando 154 Kbps más de crudo pesado. Este hecho también implica una redefinición del
punto de operación de la bomba ya que, para una altura piezométrica total por bomba fija, se
está bombeando más caudal. Este se evidencia claramente al comparar la Gráfica 5-1 con la
Gráfica 5-2. En la primera de estas, el punto de operación de la bomba se encuentra en un caudal
total por bomba de 4761,5 gpm para una altura piezométrica total por bomba de 78,4 ft. Por
otro lado, en la segunda gráfica, el punto de operación de la bomba se encuentra en un caudal
total por bomba de 8884,4 gpm para la misma altura piezométrica total por bomba,
desplazando el punto de operación de la bomba en la gráfica hacia la derecha. De igual forma,
en la Gráfica 5-2 se puede ver que este punto de operación se encuentra cerca del límite de
operación de la bomba.
2. Segunda alternativa de control. Variación del número de bomba en línea de 4 a 3.
Tabla 5-6. Información general de las nuevas condiciones de bombeo (segunda alternativa de control).
El Porvenir
Booster
Electric
Caudal [Kbpd]
653.0
Caudal [gpm]
19045.8
Número de bombas en línea
3
Información general
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
45
Tabla 5-7. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla
(condiciones de bombeo segunda alternativa de control).
Para esta alternativa de control se llegó a pensar que lo más lógico, debido a que las bombas se
encontraban en underspeed, era poner una bomba más en línea, es decir, pasar de 4 a 5 bombas
en línea. Sin embargo, al realizar este proceso se obtenía un error en la operación hidráulica del
oleoducto por lo cual se optó por reducir el número de bombas en línea y controlar las alarmas
de velocidad resultantes a través de la primera alternativa de control. En la Tabla 5-7 se puede
detallar que, bajo estas nuevas condiciones de bombeo, las bombas pasan de estar trabajando
en underspeed a trabajar en overspeed, debido a que se tienen menos bombas disponibles para
bombear el mismo caudal. La nueva alarma de velocidad es controlada disminuyendo el caudal
a bombear de 653 Kbps a 605 Kbps.
Tabla 5-8. Información general de las condiciones de bombeo resultantes.
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
236.3
236.3
0.0
0.0
0.0
1.0
236.3
0.0
0.0
1260.0
225.8
225.6
1.1
237.7
30.2
1232.3
1.0
223.9
1.0
254.0
25.9
1890.0
219.8
220.6
1.6
240.0
43.9
1848.4
1.0
217.3
1.6
254.5
37.6
2730.0
208.2
206.5
2.3
253.3
56.2
2670.0
1.0
205.0
2.3
270.8
48.1
3150.0
194.8
196.4
2.7
237.7
65.7
3080.7
1.0
191.5
2.6
249.5
56.3
3780.0
178.7
178.3
3.2
237.6
71.6
3696.9
1.0
175.2
3.1
251.5
61.3
3990.0
171.3
171.4
3.4
237.4
72.8
3902.3
1.0
167.8
3.3
250.1
62.3
4410.0
156.6
156.6
3.7
237.2
73.5
4313.0
1.0
153.2
3.6
249.7
63.0
4830.0
140.3
140.0
4.1
236.3
72.3
4723.8
1.0
137.0
4.0
249.0
61.9
5250.0
121.0
121.2
4.4
233.3
68.9
5134.5
1.0
117.9
4.3
244.3
59.0
5460.0
111.0
110.9
4.6
231.9
65.9
5339.9
1.0
108.1
4.5
243.4
56.5
6090.0
75.8
75.8
5.1
217.7
53.5
5956.1
1.0
73.7
5.0
227.8
45.9
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
1000.0
-97.0
3000.0
1247.5
1144.3
-46.9
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
1144.3
-46.9
3000.0
1247.5
1211.5
-17.9
0.0
263.5
0.0
0.0
1211.5
-17.9
3000.0
1247.5
1236.9
-6.6
1301.4
249.7
1.0
299.2
25.9
1236.9
-6.6
3000.0
1247.5
1246.2
-2.4
1952.1
242.3
1.6
299.8
37.6
1246.2
-2.4
3000.0
1247.5
1249.6
-0.9
2819.7
228.7
2.3
319.0
48.1
1249.6
-0.9
3000.0
1247.5
1250.8
-0.3
3253.5
213.6
2.6
293.9
56.3
1250.8
-0.3
3000.0
1247.5
1251.2
-0.1
3904.2
195.4
3.1
296.2
61.3
1251.2
-0.1
3000.0
1247.5
1251.4
0.0
4121.1
187.1
3.3
294.6
62.3
1251.4
0.0
3000.0
1247.5
1251.5
0.0
4554.9
170.8
3.6
294.1
63.0
4988.7
152.8
4.0
293.3
61.9
5422.5
131.5
4.3
287.8
59.0
5639.4
120.6
4.5
286.7
56.5
6290.1
82.2
5.0
268.4
45.9
1251
rpm
Alarms
Speed
Overspeed
311.2
rpm
1.1
5.073
44.7
%
264.9
BHP
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
El Porvenir
Booster
Electric
Caudal [Kbpd]
605.0
Caudal [gpm]
17645.8
Número de bombas en línea
3
Información general
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
46
Tabla 5-9. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla
(condiciones de bombeo resultantes).
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
236.3
236.3
0.0
0.0
0.0
1.0
236.3
0.0
0.0
1260.0
225.8
225.6
1.1
237.7
30.2
1232.3
1.0
223.9
1.0
254.0
25.9
1890.0
219.8
220.6
1.6
240.0
43.9
1848.4
1.0
217.3
1.6
254.5
37.6
2730.0
208.2
206.5
2.3
253.3
56.2
2670.0
1.0
205.0
2.3
270.8
48.1
3150.0
194.8
196.4
2.7
237.7
65.7
3080.7
1.0
191.5
2.6
249.5
56.3
3780.0
178.7
178.3
3.2
237.6
71.6
3696.9
1.0
175.2
3.1
251.5
61.3
3990.0
171.3
171.4
3.4
237.4
72.8
3902.3
1.0
167.8
3.3
250.1
62.3
4410.0
156.6
156.6
3.7
237.2
73.5
4313.0
1.0
153.2
3.6
249.7
63.0
4830.0
140.3
140.0
4.1
236.3
72.3
4723.8
1.0
137.0
4.0
249.0
61.9
5250.0
121.0
121.2
4.4
233.3
68.9
5134.5
1.0
117.9
4.3
244.3
59.0
5460.0
111.0
110.9
4.6
231.9
65.9
5339.9
1.0
108.1
4.5
243.4
56.5
6090.0
75.8
75.8
5.1
217.7
53.5
5956.1
1.0
73.7
5.0
227.8
45.9
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
1000.0
-73.3
3000.0
1271.0
1109.0
-32.0
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
1109.0
-32.0
3000.0
1271.0
1155.5
-12.8
0.0
236.3
0.0
0.0
1155.5
-12.8
3000.0
1271.0
1173.8
-5.0
1232.3
223.9
1.0
254.0
25.9
1173.8
-5.0
3000.0
1271.0
1181.1
-2.0
1848.4
217.3
1.6
254.5
37.6
1181.1
-2.0
3000.0
1271.0
1183.9
-0.8
2670.0
205.0
2.3
270.8
48.1
1183.9
-0.8
3000.0
1271.0
1184.0
-0.7
3080.7
191.5
2.6
249.5
56.3
1184.0
-0.7
3000.0
1271.0
1184.4
-0.5
3696.9
175.2
3.1
251.5
61.3
1184.4
-0.5
3000.0
1271.0
1184.6
-0.5
3902.3
167.8
3.3
250.1
62.3
1184.6
-0.5
3000.0
1271.0
1185.0
-0.3
4313.0
153.2
3.6
249.7
63.0
4723.8
137.0
4.0
249.0
61.9
5134.5
117.9
4.3
244.3
59.0
5339.9
108.1
4.5
243.4
56.5
5956.1
73.7
5.0
227.8
45.9
1185
rpm
Alarms
Speed
Normal
294.7
rpm
1.0
4.964
47.4
%
231.7
BHP
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en
los sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
47
Gráfica 5-3. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (condiciones de bombeo resultantes).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
50
100
150
200
250
300
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Booster El Porvenir
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (correción por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
48
Como se puede observar en la Tabla 5-9, la alarma de velocidad de la bomba booster de la
estación de El Porvenir se puede controlar reduciendo el número de bombas en línea y
disminuyendo el caudal a bombear, ya que se pasa de tener una velocidad rotacional de
operación de la bomba de 1251 rpm a tener una de 1185 rpm. Sin embargo, al hacer una
comparación con la Tabla 5-3, la eficiencia de la bomba se ve reducida en el mismo valor que se
redujo cuando se utilizó la primera alternativa de control (7,5%) y la potencia absorbida por la
bomba se incrementa en un 30,12% (0,09% menos que cuando se utilizó la primera alternativa
de control), ya que se están bombeando 46 Kbps menos de crudo pesado, pero con un número
inferior de bombas. De nuevo, este hecho implica una redefinición del punto de operación de
la bomba ya que, para una altura piezométrica total por bomba fija, se está bombeando menos
caudal. Esto se evidencia claramente al comparar la Gráfica 5-1 con la Gráfica 5-3. Ya se había
mencionado que, en la primera de estas, el punto de operación de la bomba se encuentra en un
caudal total por bomba de 4761,5 gpm para una altura piezométrica total por bomba de 78,4 ft.
Por otro lado, en la segunda gráfica, el punto de operación de la bomba se encuentra en un
caudal total por bomba de 5901,4 gpm para la misma altura piezométrica total por bomba,
desplazando el punto de operación de la bomba en la gráfica nuevamente hacia la derecha.
Asimismo, en la Gráfica 5-3 se puede ver que este punto de operación se encuentra cerca del
límite de operación de la bomba. A partir de estos resultados se concluye que el control de
alarmas es independiente de la alternativa de control que se elija (variación del caudal a
bombear o variación del número de bombas en línea). De igual manera, se concluye que los
tanques de almacenamiento de las estaciones de bombeo desempeñan un papel supremamente
importante, no sólo en el control de las alarmas de caudal, sino también en el control de las
alarmas de velocidad.
La segunda serie de simulaciones consistió en realizar el proceso de control de alarmas anterior
utilizando la primera alternativa, cuando la viscosidad cinemática del crudo es reducida en un
99%. La razón para realizar solamente una alternativa de control radica en que se concluyó
anteriormente que el control de alarmas es independiente de la alternativa de control que se
elija.
Las condiciones de bombeo iniciales para esta segunda serie de simulaciones, son las indicadas
en la Tabla 5-1. Los otros datos de entrada son los siguientes:
Tabla 5-10. Datos de entrada de la simulación de la bomba booster El Porvenir con crudo Castilla (viscosidad cinemática
reducida en un 99%).
2
Etapas
17.26
in
1185
rpm
1.751
cSt
17.26
in
0.943
4410
gpm
4761.5
gpm
78.3065
ft-agua
78.4
ft
73.5
%
2989.44
OK
1
cSt
0.34
OK
1
-
1
1185
rpm
Mirar tabla "Corrección por viscosidad"
1185
rpm
1
1
-
dn/d
CH
Gravedad específica del agua
CQ
η BEP-W
Altura piezométrica (Total por bomba)
Información inicial
Número de etapas de la bomba
Nuevo diámetro del impulsor de la bomba (dn)
Velocidad de referencia (N)
Viscosidad cinemática del crudo
Diámetro del impulsor de la bomba referencia (d)
Gravedad específica del crudo
Q BEP-W
Caudal (Total por bomba)
H BEP-W (por etapa)
Velocidad rotacional mínima
C
η
Velocidad específica de la bomba (Ns)
Viscosidad cinemática del agua
Parámetro B
Velocidad rotacional máxima
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
49
Tabla 5-11. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla
(viscosidad cinemática reducida en un 99%).
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
236.3
236.3
0.0
0.0
0.0
1.0
236.3
0.0
0.0
1260.0
225.8
225.6
1.1
237.7
30.2
1260.0
1.0
225.8
1.1
224.4
30.2
1890.0
219.8
220.6
1.6
240.0
43.9
1890.0
1.0
219.8
1.6
225.5
43.9
2730.0
208.2
206.5
2.3
253.3
56.2
2730.0
1.0
208.2
2.3
240.9
56.2
3150.0
194.8
196.4
2.7
237.7
65.7
3150.0
1.0
194.8
2.7
222.3
65.7
3780.0
178.7
178.3
3.2
237.6
71.6
3780.0
1.0
178.7
3.2
224.6
71.6
3990.0
171.3
171.4
3.4
237.4
72.8
3990.0
1.0
171.3
3.4
223.6
72.8
4410.0
156.6
156.6
3.7
237.2
73.5
4410.0
1.0
156.6
3.7
223.6
73.5
4830.0
140.3
140.0
4.1
236.3
72.3
4830.0
1.0
140.3
4.1
223.4
72.3
5250.0
121.0
121.2
4.4
233.3
68.9
5250.0
1.0
121.0
4.4
219.5
68.9
5460.0
111.0
110.9
4.6
231.9
65.9
5460.0
1.0
111.0
4.6
218.8
65.9
6090.0
75.8
75.8
5.1
217.7
53.5
6090.0
1.0
75.8
5.1
205.3
53.5
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
1000.0
-6.2
3000.0
1336.0
1009.2
-2.9
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
1009.2
-2.9
3000.0
1336.0
1013.5
-1.3
0.0
174.1
0.0
0.0
1013.5
-1.3
3000.0
1336.0
1015.4
-0.6
1081.5
166.3
1.1
141.9
30.2
1015.4
-0.6
3000.0
1336.0
1016.3
-0.3
1622.2
162.0
1.6
142.6
43.9
1016.3
-0.3
3000.0
1336.0
1016.7
-0.1
2343.2
153.4
2.3
152.3
56.2
1016.7
-0.1
3000.0
1336.0
1016.9
-0.1
2703.6
143.5
2.7
140.6
65.7
1016.9
-0.1
3000.0
1336.0
1017.0
0.0
3244.4
131.7
3.2
142.0
71.6
1017.0
0.0
3000.0
1336.0
1017.1
0.0
3424.6
126.2
3.4
141.4
72.8
1017.1
0.0
3000.0
1336.0
1017.1
0.0
3785.1
115.4
3.7
141.4
73.5
4145.6
103.4
4.1
141.2
72.3
4506.1
89.1
4.4
138.8
68.9
4686.3
81.7
4.6
138.4
65.9
5227.0
55.8
5.1
129.8
53.5
1017
rpm
Alarms
Speed
Underspeed
252.9
rpm
0.9
4.681
64.5
%
137.9
BHP
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en
los sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
50
Gráfica 5-4. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (viscosidad cinemática reducida
en un 99%).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
50
100
150
200
250
300
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Booster El Porvenir
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (correción por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
51
Como se puede observar en la Tabla 5-11 y la Gráfica 5-4, cuando se reduce la viscosidad
cinemática del crudo Castilla en un 99%, la bomba booster de la estación de Bombeo El Porvenir
se comporta como si estuviera bombeando un crudo ligero, es decir, la eficiencia y la potencia
absorbida por la bomba cambian sustancialmente, pero la velocidad rotacional de operación de
la bomba no lo hace, teniendo nuevamente una alarma de velocidad de underspeed en la bomba.
Al realizar una comparación entre la Tabla 5-3 y la Tabla 5-11, se puede ver que cuando se
bombea crudo Castilla, reduciendo su viscosidad cinemática en un 99%, se aumenta la
eficiencia de la bomba en 9,6% y la potencia absorbida por la bomba disminuye en un 17,40%.
Como se mencionó anteriormente, se procede a realizar el control de alarma de velocidad a
través de la variación del caudal a bombear, aumentando este de 653 Kbps a 830 Kbps. Las
nuevas condiciones de bombeo se detallan a continuación:
Tabla 5-12. Información general de las nuevas condiciones de bombeo.
Tabla 5-13. Datos de entrada de la simulación de la bomba booster El Porvenir con crudo Castilla (viscosidad cinemática
reducida en un 99%, nuevas condiciones de bombeo).
El Porvenir
Booster
Electric
Caudal [Kbpd]
830.0
Caudal [gpm]
24208.3
Número de bombas en línea
4
Información general
2
Etapas
17.26
in
1185
rpm
1.751
cSt
17.26
in
0.943
4410
gpm
6052.1
gpm
78.3065
ft-agua
78.4
ft
73.5
%
2989.44
OK
1
cSt
0.34
OK
1
-
1
1185
rpm
Mirar tabla "Corrección por viscosidad"
1185
rpm
1
1
-
dn/d
CH
Gravedad específica del agua
CQ
η BEP-W
Altura piezométrica (Total por bomba)
Información inicial
Número de etapas de la bomba
Nuevo diámetro del impulsor de la bomba (dn)
Velocidad de referencia (N)
Viscosidad cinemática del crudo
Diámetro del impulsor de la bomba referencia (d)
Gravedad específica del crudo
Q BEP-W
Caudal (Total por bomba)
H BEP-W (por etapa)
Velocidad rotacional mínima
C
η
Velocidad específica de la bomba (Ns)
Viscosidad cinemática del agua
Parámetro B
Velocidad rotacional máxima
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
52
Tabla 5-14. Curva de la bomba con agua, determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba, y
correcciones por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba cuando se bombea crudo Castilla
(viscosidad cinemática reducida en un 99%, nuevas condiciones de bombeo).
Q
H (Teórica)
H (Calculada)
Q/N
P
η
Q@V2
CH
H@V2
Q/N@V2
P
η@V2
[gpm]
[ft]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
[gpm]
-
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
%
0.0
236.3
236.3
0.0
0.0
0.0
1.0
236.3
0.0
0.0
1260.0
225.8
225.6
1.1
237.7
30.2
1260.0
1.0
225.8
1.1
224.4
30.2
1890.0
219.8
220.6
1.6
240.0
43.9
1890.0
1.0
219.8
1.6
225.5
43.9
2730.0
208.2
206.5
2.3
253.3
56.2
2730.0
1.0
208.2
2.3
240.9
56.2
3150.0
194.8
196.4
2.7
237.7
65.7
3150.0
1.0
194.8
2.7
222.3
65.7
3780.0
178.7
178.3
3.2
237.6
71.6
3780.0
1.0
178.7
3.2
224.6
71.6
3990.0
171.3
171.4
3.4
237.4
72.8
3990.0
1.0
171.3
3.4
223.6
72.8
4410.0
156.6
156.6
3.7
237.2
73.5
4410.0
1.0
156.6
3.7
223.6
73.5
4830.0
140.3
140.0
4.1
236.3
72.3
4830.0
1.0
140.3
4.1
223.4
72.3
5250.0
121.0
121.2
4.4
233.3
68.9
5250.0
1.0
121.0
4.4
219.5
68.9
5460.0
111.0
110.9
4.6
231.9
65.9
5460.0
1.0
111.0
4.6
218.8
65.9
6090.0
75.8
75.8
5.1
217.7
53.5
6090.0
1.0
75.8
5.1
205.3
53.5
Velocidad mínima
Función
Velocidad máxima
Función
Velocidad
Función
Q@N2
H@N2
Q/N2@N2
P
η@N2
1000.0
-75.5
3000.0
1288.2
1110.7
-32.2
[gpm]
[ft]
[ft/rpm]
[BHP]
[%]
1110.7
-32.2
3000.0
1288.2
1156.9
-12.6
0.0
236.3
0.0
0.0
1156.9
-12.6
3000.0
1288.2
1174.7
-4.8
1260.0
225.8
1.1
224.4
30.2
1174.7
-4.8
3000.0
1288.2
1181.5
-1.8
1890.0
219.8
1.6
225.5
43.9
1181.5
-1.8
3000.0
1288.2
1184.1
-0.7
2730.0
208.2
2.3
240.9
56.2
1184.1
-0.7
3000.0
1288.2
1184.5
-0.5
3150.0
194.8
2.7
222.3
65.7
1184.5
-0.5
3000.0
1288.2
1184.6
-0.5
3780.0
178.7
3.2
224.6
71.6
1184.6
-0.5
3000.0
1288.2
1184.7
-0.5
3990.0
171.3
3.4
223.6
72.8
1184.7
-0.5
3000.0
1288.2
1185.0
-0.3
4410.0
156.6
3.7
223.6
73.5
4830.0
140.3
4.1
223.4
72.3
5250.0
121.0
4.4
219.5
68.9
5460.0
111.0
4.6
218.8
65.9
6090.0
75.8
5.1
205.3
53.5
1185
rpm
Alarms
Speed
Normal
294.7
rpm
1.0
5.107
54.5
%
207.4
BHP
Curva de la bomba con agua
Corrección por viscosidad
Determinación de la velocidad rotacional de operación de la bomba
Corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad rotacional de operación de la bomba
Velocidad del motor
No/N
Q/No
Eficiencia
Potencia
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Centro de Investigaciones en Acueductos y
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los sistemas de oleoductos por bombeo.
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Gráfica 5-5. Curvas de la bomba, de eficiencia y de potencia de la bomba booster de la estación de bombeo El Porvenir con crudo pesado Castilla (viscosidad cinemática reducida
en un 99%, nuevas condiciones de bombeo).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
50
100
150
200
250
300
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Efi
ci
en
ci
a
(%)
A
ltu
ra
p
iez
o
métr
ica
(ft)
/
Po
ten
ci
a
(B
H
P)
Caudal (gpm)
Curvas Bomba Booster El Porvenir
Curva de la bomba con agua
Curva de la bomba (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (correción por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Punto de operación de la bomba
Curva de potencia con agua
Curva de potencia (corrección por viscosidad)
Curva de potencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
Curva de eficiencia con agua
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad)
Curva de eficiencia (corrección por viscosidad y velocidad rotacional de operación de la bomba)
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Como se puede observar en la Tabla 5-14, la alarma de velocidad de la bomba booster de la
estación de El Porvenir, cuando esta bombea crudo Castilla con su viscosidad cinemática
reducida en un 99%, se puede controlar reduciendo el número de bombas en línea y
aumentando el caudal a bombear, ya que se pasa de tener una velocidad rotacional de operación
de la bomba de 1036 rpm a tener una de 1185 rpm. Al hacer una comparación con la Tabla 5-11,
la eficiencia de la bomba se ve reducida solamente en 0,4% y la potencia absorbida por la bomba
se incrementa en un 21,93%, ya que se están bombeando 177 Kbps más de crudo pesado con
viscosidad cinemática reducida en un 99%. El incremento del caudal a bombear implica
nuevamente una redefinición del punto de operación de la bomba ya que, para una altura
piezométrica total por bomba fija, se está bombeando más caudal. Esto se evidencia claramente
al comparar la Gráfica 5-3 con la Gráfica 5-4. En la primera de estas, el punto de operación de la
bomba se encuentra en un caudal total por bomba de 4761,5 gpm para una altura piezométrica
total por bomba de 78,4 ft. Por otro lado, en la segunda gráfica, el punto de operación de la
bomba se encuentra en un caudal total por bomba de 6052,1 gpm para la misma altura
piezométrica total por bomba, desplazando el punto de operación de la bomba en la gráfica
nuevamente hacia la derecha. En la Gráfica 5-4 se puede ver que este punto de operación se
encuentra nuevamente cerca del límite de operación de la bomba.
A partir de esto se concluye que la disminución de la viscosidad cinemática de un crudo,
repercute directamente en la cantidad de caudal que debe ser bombeado para controlar las
alarmas de velocidad. Entre menor sea la viscosidad, mayor es el caudal que debe ser bombeado
para controlar la alarma, ya que el crudo se comporta como un crudo ligero. Adicionalmente, se
concluye que, a pesar de que el control de alarmas es independiente de la alternativa de control
que se elija entre variación del caudal a bombear o variación del número de bombas en línea,
estas dos alternativas deben consideradas en última instancia, ya que hacen que la bomba opere
cerca del límite de operación máxima de la bomba. La mejor y más sencilla alternativa de
control corresponde entonces a la incorporación de variadores de velocidad y debe ser utilizada
mientras sea posible (es decir, cuando se tengan bombas centrífugas de velocidad variable).
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6 EFECTOS DE LA INYECCIÓN DE DRA EN DIFERENTES
CONFIGURACIONES DE BATCHEO
El último efecto de la disminución de viscosidad que se evaluó en el software, fue el efecto de la
inyección de diferentes concentraciones de agentes reductores de arrastre en el oleoducto
cuando se tienen solamente dos batches: un batche de crudo Cusiana impulsando un batche de
crudo Castilla.
En las simulaciones realizadas, se cambió la localización del segundo batche en 50 km, es decir,
en una primera simulación se tendrán 50 km del oleoducto con crudo Cusiana y 780 km con
crudo Castilla, una segunda simulación tendrá 100 km del oleoducto con crudo Cusiana y 730
km con crudo Castilla, y así sucesivamente hasta que el oleoducto transportara 800 km de crudo
Cusiana y 30 km de crudo Castilla
La primera serie de simulaciones consistió en variar la concentración de DRA que debe ser
inyectada en cada estación, con el fin de cumplir con las restricciones de la Slack Line y la MAOP,
para cada una de las configuraciones de batcheo. Por otro lado, en la segunda serie de
simulaciones se mantuvo la concentración de DRA inyectada en un valor constante (superior a
las concentraciones de DRA que permitían cumplir con las restricciones de la Slack Line y la
MAOP) en cada estación de bombeo, para cada una de las configuraciones de batcheo.
Para las dos series de simulaciones, se presentarán tablas y gráficas con los resultados de
caudal, velocidad de las bombas, potencia hidráulica adicionada por las bombas y caudal
almacenado en cada una de las estaciones de bombeo. Asimismo, se incluirán los perfiles de
alturas piezométricas para cada configuración de batcheo. Adicionalmente, en la primera serie
de simulaciones, se mostrarán también una tabla y una gráfica de variación de concentración
de DRA inyectada en cada una de las estaciones de bombeo.
Como se mencionó anteriormente, para la primera serie de simulaciones el criterio para elegir
la concentración de DRA a inyectar en cada una de las estaciones de bombeo, era elegir la
concentración necesaria para cumplir con las restricciones de la Slack Line y la MAOP. De igual
manera, en la serie de simulaciones se aseguró que en el oleoducto se generara la menor
cantidad de alarmas de caudal, velocidad y potencia posibles, teniendo alarmas de overspeed
en las bombas de la estación de bombeo Vasconia y alarmas de power limit en las bombas de la
estación de bombeo de Caucasia. Los perfiles de alturas piezométricas obtenidos fueron los
siguientes:
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Gráfica 6-1. Perfil de alturas piezométricas primeros 50 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-2. Perfil de alturas piezométricas primeros 100 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-3. Perfil de alturas piezométricas primeros 150 km del oleoducto con crudo Cusiana.
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
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Gráfica 6-4. Perfil de alturas piezométricas primeros 200 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-5. Perfil de alturas piezométricas primeros 250 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-6. Perfil de alturas piezométricas primeros 300 km del oleoducto con crudo Cusiana.
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
4000.00
4500.00
5000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
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Gráfica 6-7. Perfil de alturas piezométricas primeros 350 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-8. Perfil de alturas piezométricas primeros 400 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-9. Perfil de alturas piezométricas primeros 450 km del oleoducto con crudo Cusiana.
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
4000.00
4500.00
5000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
4000.00
4500.00
5000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
4000.00
4500.00
5000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
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Proyecto de Grado
59
Gráfica 6-10. Perfil de alturas piezométricas primeros 500 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-11. Perfil de alturas piezométricas primeros 550 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-12. Perfil de alturas piezométricas primeros 600 km del oleoducto con crudo Cusiana.
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
4000.00
4500.00
5000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
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ie
zo
m
é
tr
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a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
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4500.00
5000.00
-39.06
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160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
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zo
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tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
500.00
1000.00
1500.00
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4500.00
5000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
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sistemas de oleoductos por bombeo.
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Proyecto de Grado
60
Gráfica 6-13. Perfil de alturas piezométricas primeros 650 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-14. Perfil de alturas piezométricas primeros 700 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Gráfica 6-15. Perfil de alturas piezométricas primeros 750 km del oleoducto con crudo Cusiana.
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
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160.94
260.94
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p
si
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Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
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1000.00
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5000.00
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260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
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Slack Line
0.00
500.00
1000.00
1500.00
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160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
61
Gráfica 6-16. Perfil de alturas piezométricas primeros 800 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Los resultados de caudal, velocidad de las bombas, potencia hidráulica adicionada por las
bombas y caudal almacenado en cada una de las estaciones de bombeo, fueron los siguientes:
Tabla 6-1. Caudal en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de batcheo.
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
4000.00
4500.00
5000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
Cupiagua
Miraflores La Belleza
Vasconia
Caucasia
Coveñas
-39.059
0.000
0.000
33.024
33.024
33.024
85.96532
223.71163 319.67062 608.60354 797.09436
Primeros 50km Cusiana
Caudal [Kbpd]
192.0
719.0
719.0
631.0
631.0
631.0
631.0
631.0
351.0
351.0
351.0
Primeros 100km Cusiana
Caudal [Kbpd]
192.0
719.0
719.0
634.0
634.0
634.0
634.0
634.0
351.0
351.0
351.0
Primeros 150km Cusiana
Caudal [Kbpd]
192.0
719.0
719.0
685.0
685.0
685.0
685.0
685.0
349.0
349.0
349.0
Primeros 200km Cusiana
Caudal [Kbpd]
192.0
719.0
719.0
677.0
677.0
677.0
677.0
677.0
350.0
350.0
350.0
Primeros 250km Cusiana
Caudal [Kbpd]
192.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
350.0
350.0
350.0
Primeros 300km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
346.0
346.0
346.0
Primeros 350km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
338.0
338.0
338.0
Primeros 400km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
343.0
343.0
343.0
Primeros 450km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
342.0
342.0
342.0
Primeros 500km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
340.0
340.0
340.0
Primeros 550km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
338.0
338.0
338.0
Primeros 600km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
335.0
335.0
335.0
Primeros 650km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
335.0
335.0
335.0
Primeros 700km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
376.0
376.0
376.0
Primeros 750km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
386.0
386.0
386.0
Primeros 800km Cusiana
Caudal [Kbpd]
193.0
719.0
719.0
688.0
688.0
688.0
688.0
688.0
393.0
393.0
393.0
Estación de bombeo
Abscisa de la estación de bombeo [km]
Cusiana
El Porvenir
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
62
Gráfica 6-17. Caudal en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de batcheo.
Tabla 6-2. Velocidad de las bombas en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de batcheo.
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
600.0
700.0
800.0
-70.000
30.000
130.000
230.000
330.000
430.000
530.000
630.000
730.000
830.000
Cau
d
al
[
K
b
p
d
]
Abscisado [km]
Caudal
Primeros 50km Cusiana
Primeros 100km Cusiana
Primeros 150km Cusiana
Primeros 200km Cusiana
Primeros 250km Cusiana
Primeros 300km Cusiana
Primeros 350km Cusiana
Primeros 400km Cusiana
Primeros 450km Cusiana
Primeros 500km Cusiana
Primeros 550km Cusiana
Primeros 600km Cusiana
Primeros 650km Cusiana
Primeros 700km Cusiana
Primeros 750km Cusiana
Primeros 800km Cusiana
Cupiagua
Miraflores La Belleza
Vasconia
Caucasia
Coveñas
-39.059
0.000
0.000
33.024
33.024
33.024
85.96532
223.71163 319.67062 608.60354 797.09436
Main
Booster
Main
Booster Rebooster
Main
Main
Main
Main
Primeros 50km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3568.18
1185.00
3703.04
1001.28
3196.62
3389.14
3452.87
-
13933.63
3936.00
-
Primeros 100km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3568.18
1185.00
3250.50
1000.19
3414.60
3494.81
3569.12
-
13933.98
3940.60
-
Primeros 150km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3568.18
1185.00
3250.03
1046.15
3475.23
3352.10
3533.06
-
13931.57
3898.02
-
Primeros 200km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3568.18
1185.00
3250.75
1038.82
3463.74
3326.92
3360.75
-
13933.09
3924.49
-
Primeros 250km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3568.18
1185.00
3250.45
1048.91
3477.83
3362.12
3356.81
-
13933.33
3929.40
-
Primeros 300km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13927.57
3890.96
-
Primeros 350km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13910.62
3801.25
-
Primeros 400km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13915.58
3890.43
-
Primeros 450km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13912.40
3890.64
-
Primeros 500km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13906.39
3881.06
-
Primeros 550km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13901.79
3832.76
-
Primeros 600km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13895.14
3626.73
-
Primeros 650km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13895.14
3546.27
-
Primeros 700km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13955.72
4017.89
-
Primeros 750km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13963.88
4018.19
-
Primeros 800km Cusiana
Velocidad de la bomba [rpm]
3583.18
1185.00
3251.36
1048.91
3477.86
3362.11
3356.89
-
13968.69
4008.23
-
Tipo de bomba
Estación de bombeo
Abscisa de la estación de bombeo [km]
Cusiana
El Porvenir
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
63
Gráfica 6-18. Velocidad de las bombas en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de batcheo.
Tabla 6-3. Potencia hidráulica adicionada en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de batcheo.
0.00
2000.00
4000.00
6000.00
8000.00
10000.00
12000.00
14000.00
16000.00
-70.000
30.000
130.000
230.000
330.000
430.000
530.000
630.000
730.000
830.000
Veloc
id
ad
d
e
la b
o
m
b
a
[r
p
m
]
Abscisado [km]
Velocidad de las bombas
Primeros 50km Cusiana
Primeros 100km Cusiana
Primeros 150km Cusiana
Primeros 200km Cusiana
Primeros 250km Cusiana
Primeros 300km Cusiana
Primeros 350km Cusiana
Primeros 400km Cusiana
Primeros 450km Cusiana
Primeros 500km Cusiana
Primeros 550km Cusiana
Primeros 600km Cusiana
Primeros 650km Cusiana
Primeros 700km Cusiana
Primeros 750km Cusiana
Primeros 800km Cusiana
Cupiagua
Miraflores La Belleza
Vasconia
Caucasia
Coveñas
-39.059
0.000
0.000
33.024
33.024
33.024
85.96532
223.71163 319.67062 608.60354 797.09436
Main
Booster
Main
Booster Rebooster
Main
Main
Main
Main
Primeros 50km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1708.91
800.00
7443.49
137.61
2643.37
3068.48
2799.22
-
7440.77
2656.92
-
Primeros 100km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1708.91
800.00
5057.49
113.67
2625.89
2732.95
3049.39
-
8039.07
2669.05
-
Primeros 150km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1708.91
800.00
5055.24
128.73
2857.84
2507.50
2535.35
-
8725.19
2582.71
-
Primeros 200km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1708.91
800.00
5058.71
126.27
2816.81
2448.98
2225.44
-
8899.78
2639.87
-
Primeros 250km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1708.91
800.00
5057.27
129.66
2869.83
2530.87
2236.97
-
9301.02
2653.15
-
Primeros 300km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
9467.11
2603.64
-
Primeros 350km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
5014.92
2461.48
-
Primeros 400km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
3179.56
2634.66
-
Primeros 450km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
1677.77
2644.43
-
Primeros 500km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
610.94
2637.72
-
Primeros 550km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
1087.70
2539.21
-
Primeros 600km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
1122.34
2057.84
-
Primeros 650km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
1126.84
1523.49
-
Primeros 700km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
535.16
1903.50
-
Primeros 750km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
352.83
1482.42
-
Primeros 800km Cusiana
Potencia hidráulica adicionada [hp]
1731.15
800.00
5061.52
129.65
2869.83
2530.79
2237.07
-
207.76
1010.35
-
Tipo de bomba
Estación de bombeo
Abscisa de la estación de bombeo [km]
Cusiana
El Porvenir
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
Daniel M. Herrera C.
Proyecto de Grado
64
Gráfica 6-19. Potencia hidráulica adicionada en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de
batcheo.
Tabla 6-4. Caudal almacenado en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de batcheo.
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
7000.00
8000.00
9000.00
10000.00
-70.000
30.000
130.000
230.000
330.000
430.000
530.000
630.000
730.000
830.000
Pot
e
n
ci
a h
id
ráu
lic
a ad
ic
io
n
ad
a [
h
p
]
Abscisado [km]
Potencia hidráulica adicionada
Primeros 50km Cusiana
Primeros 100km Cusiana
Primeros 150km Cusiana
Primeros 200km Cusiana
Primeros 250km Cusiana
Primeros 300km Cusiana
Primeros 350km Cusiana
Primeros 400km Cusiana
Primeros 450km Cusiana
Primeros 500km Cusiana
Primeros 550km Cusiana
Primeros 600km Cusiana
Primeros 650km Cusiana
Primeros 700km Cusiana
Primeros 750km Cusiana
Primeros 800km Cusiana
Cupiagua
Miraflores La Belleza
Vasconia
Caucasia
Coveñas
-39.059
0.000
0.000
33.024
33.024
33.024
85.96532
223.71163 319.67062 608.60354 797.09436
Primeros 50km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
57.0
57.0
57.0
57.0
0.0
42.0
0.0
0.0
Primeros 100km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
54.0
54.0
54.0
54.0
0.0
42.0
0.0
0.0
Primeros 150km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
3.0
3.0
3.0
3.0
0.0
44.0
0.0
0.0
Primeros 200km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
11.0
11.0
11.0
11.0
0.0
43.0
0.0
0.0
Primeros 250km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
43.0
0.0
0.0
Primeros 300km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
47.0
0.0
0.0
Primeros 350km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
55.0
0.0
0.0
Primeros 400km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
50.0
0.0
0.0
Primeros 450km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
51.0
0.0
0.0
Primeros 500km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
53.0
0.0
0.0
Primeros 550km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
55.0
0.0
0.0
Primeros 600km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
58.0
0.0
0.0
Primeros 650km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
58.0
0.0
0.0
Primeros 700km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
17.0
0.0
0.0
Primeros 750km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
7.0
0.0
0.0
Primeros 800km Cusiana
Caudal almacenado [Kbpd]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
Abscisa de la estación de bombeo [km]
Estación de bombeo
Cusiana
El Porvenir
Universidad de los Andes
ICYA 3102 - 201310
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
Alcantarillados – CIACUA
Efectos hidráulicos de la disminución de viscosidad en los
sistemas de oleoductos por bombeo.
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Proyecto de Grado
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Gráfica 6-20. Caudal almacenado en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de batcheo.
Como se mencionó anteriormente, se presenta también una tabla y una gráfica de la
concentración de DRA inyectada en cada una de las estaciones de bombeo:
Tabla 6-5. Concentración de DRA inyectada en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de
batcheo.
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
-70.000
30.000
130.000
230.000
330.000
430.000
530.000
630.000
730.000
830.000
Cau
d
al
alm
ac
e
n
ad
o
[
K
b
p
d
]
Abscisado [km]
Caudal almacenado
Primeros 50km Cusiana
Primeros 100km Cusiana
Primeros 150km Cusiana
Primeros 200km Cusiana
Primeros 250km Cusiana
Primeros 300km Cusiana
Primeros 350km Cusiana
Primeros 400km Cusiana
Primeros 450km Cusiana
Primeros 500km Cusiana
Primeros 550km Cusiana
Primeros 600km Cusiana
Primeros 650km Cusiana
Primeros 700km Cusiana
Primeros 750km Cusiana
Primeros 800km Cusiana
Cusiana El Porvenir Miraflores La Belleza Vasconia Caucasia
0.000
33.024
85.96532 223.7116 319.6706 608.604
Primeros 50km Cusiana
Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
22.51
5.41
3.78
0.43
0.00
Primeros 100km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
2.70
0.00
0.00
0.00
Primeros 150km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 200km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 250km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 300km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 350km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 400km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 450km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 500km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 550km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 600km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 650km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 700km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 750km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Primeros 800km Cusiana Concentración de DRA inyectada [ppm]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Estación de bombeo
Abscisa de la estación de bombeo [km]
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Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y
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sistemas de oleoductos por bombeo.
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Gráfica 6-21. Concentración de DRA inyectada en cada una de las estaciones de bombeo para cada configuración de
batcheo.
Como se puede observar en la Tabla 6-1 y en Gráfica 6-17, los valores máximos de caudal que
puede ser transportado se obtuvieron para la configuración de batcheo correspondiente a los
primeros 800 km de Cusiana. Este resultado era el esperado, ya que para esta configuración, el
oleoducto está prácticamente lleno de crudo ligero. Para las configuraciones de batcheo de 50
km a 650 km del oleoducto con crudo Cusiana, se transportará más o menos caudal de la
estación Cusiana a la estación de El Porvenir, y de la estación Caucasia hasta el Terminal
Marítimo de Coveñas dependiendo de la configuración de batcheo que se elija. Esto dependerá
directamente del almacenamiento de caudal que se realice en la estación de El Porvenir (para
el primer caso) y el almacenamiento de caudal que se realice en las estaciones Miraflores y
Vasconia (para el segundo caso), el cual se ilustra numérica y gráficamente en la Tabla 6-4 y la
Gráfica 6-20, respectivamente. Las relaciones entre el caudal transportado y el caudal
almacenado son sencillas. Si se almacena más caudal en El Porvenir, se transportará menos
caudal de Cusiana a El Porvenir, y si se almacena más caudal en Miraflores y Vasconia, se
transportará menos caudal de Caucasia a Coveñas.
Asimismo, se puede observar en la Tabla 6-2 y en la Gráfica 6-18 que las velocidades de las
bombas de cada una de las estaciones de bombeo se mantienen prácticamente constantes,
independiente de la configuración de batcheo que se tenga. Esto concuerda con una de las
conclusiones que se encontraron anteriormente, donde se detallaba que la viscosidad
cinemática del crudo no afectaba de manera sustancial la velocidad rotacional de operación de
las bombas.
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
0.000
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
700.000
800.000
Co
n
ce
n
tr
ac
ió
n
d
e
DRA
in
ye
ctad
a [
p
p
m
]
Abscisado [km]
Concentración de DRA inyectada
Primeros 50km Cusiana
Primeros 100km Cusiana
Primeros 150km Cusiana
Primeros 200km Cusiana
Primeros 250km Cusiana
Primeros 300km Cusiana
Primeros 350km Cusiana
Primeros 400km Cusiana
Primeros 450km Cusiana
Primeros 500km Cusiana
Primeros 550km Cusiana
Primeros 600km Cusiana
Primeros 650km Cusiana
Primeros 700km Cusiana
Primeros 750km Cusiana
Primeros 800km Cusiana
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De igual manera, en la Tabla 6-3 y en la Gráfica 6-19, se puede observar que el mayor valor de
potencia hidráulica adicionada es el de la estación de bombeo Vasconia para la configuración
de batcheo correspondiente a los primeros 300 km del oleoducto con crudo Cusiana.
Igualmente, al realizar una comparación entre la potencia hidráulica adicionada por la estación
Vasconia y la potencia hidráulica adicionada por la estación Caucasia para cada configuración
de batcheo, se puede detallar que cuando se tienen los primeros 50 a 400 km del oleoducto con
crudo Cusiana, la estación Vasconia debe adicionar más potencia que la estación Caucasia,
mientras que cuando se tienen los primeros 450 a 800 km del oleoducto con crudo Cusiana, es
la estación Caucasia la que debe adicionar más potencia.
Por último, se puede observar en la Tabla 6-5 y en la Gráfica 6-21, la inyección de DRA para
cumplir con las restricciones de la Slack Line y la MAOP fue necesaria solamente para dos
configuraciones de batcheo: los primeros 50 km y los primeros 100 km del oleoducto con crudo
Cusiana. Este resultado es completamente coherente, teniendo en cuenta que a medida que se
tiene más crudo ligero y menos crudo pesado en el oleoducto, habrá menos pérdidas por
fricción, por lo cual la inyección de DRA se vuelve innecesaria.
Para la segunda serie de simulaciones, las concentraciones de DRA inyectada en cada una de las
estaciones de bombeo, fueron las siguientes:
Estas concentraciones están asociadas con los siguientes porcentajes de reducción de fricción:
El porcentaje de reducción de fricción con DRA fue escogido a partir del artículo Drag Reduction
of Crude Oil Flow in Pipelines Using Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate Surfactant (Rassoul &
Hadi, 2007). Este artículo puntualiza que el máximo porcentaje de reducción de fricción logrado
para un sistema cerrado de recirculación de un crudo ligero del sur de Iraq (32,7° API; G
s
(60°F)=0,8644; ν (50°C)=3.208 cSt) con un surfactante aniónico como agente reductor de
arrastre, fue de 54% para una tubería de 2”. De igual forma, el artículo detalla que este
porcentaje de reducción aumenta conforme al diámetro de la tubería aumente. Teniendo en
cuenta que los diámetros del oleoducto Cusiana – La Belleza – Vasconia – Coveñas varían entre
16” y 36”, se escogió este porcentaje de reducción de fricción para establecer la concentración
de DRA inyectada en cada una de las estaciones de bombeo.
Los perfiles de alturas piezométricas para cada una de las configuraciones de batcheo son los
siguientes:
Cusiana
El Porvenir
Miraflores
La Belleza
Vasconia
Caucasia
250.00
117.28
250.00
250.00
117.28
0.00
PPM DE DRA
Cusiana
El Porvenir
Miraflores
La Belleza
Vasconia
Caucasia
54.0
54.0
54.0
54.0
54.0
0.0
% REDUCCIÓN DE FRICCIÓN CON DRA
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Gráfica 6-22. Perfil de alturas piezométricas primeros 50 km del oleoducto con crudo Cusiana (concentración de DRA
inyectada constante).
Gráfica 6-23. Perfil de alturas piezométricas primeros 100 km del oleoducto con crudo Cusiana (concentración de DRA
inyectada constante).
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ci
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
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Gráfica 6-24. Perfil de alturas piezométricas primeros 150 km del oleoducto con crudo Cusiana (concentración de DRA
inyectada constante).
Gráfica 6-25. Perfil de alturas piezométricas primeros 200 km del oleoducto con crudo Cusiana (concentración de DRA
inyectada constante).
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
-39.06
60.94
160.94
260.94
360.94
460.94
560.94
660.94
760.94
A
ltu
ra p
ie
zo
m
é
tr
ic
a [
p
si
]
Abscisa [km]
PERFIL DE ALTURAS PIEZOMÉTRICAS
Perfil de Suelo
Gradeline Pressure
MAOP
Slack Line