Perspectiva de Anlisis Tecnolgico a laCALIDAD DEL GAS NATURAL

( REGULACIN COLOMBIANA pag. 6 )

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16AO 2010 - N 2

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Fundamentos de la medicin de gas hmedo.

Iniciativas que consolidan la investigacin tecnolgica y cientfica en Santander.

Facilidades tecnolgicas para brindar trazabilidad a las mediciones de gases en Colombia.

El problema del sentido de giro del vrti-ce en los desages.

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Perspectiva de anlisis tecnolgico a los lmi-tes de especificacin de la calidad del gas natu-ral establecidos en la regulacin colombiana.

Fundamentos de la medicin de gas hmedo.

Avances tecnolgicos en medicin ultrasnica de gas para operar a bajas presiones.

Exploracin de alternativas de comunicacin y transmisin de datos en instrumentacin in-dustrial.

Iniciativas que consolidan la investigacin tec-nolgica y cientfica en Santander como herra-mienta estratgica para apoyar la transforma-cin productiva de Colombia.

Facilidades tecnolgicas para brindar trazabi-lidad a las mediciones de gases en Colombia.

Los artculos publicados son de exclusiva responsabilidad de sus autores.

Corporacion CDT de GAS / www.cdtdegas.com

ndi

ce

Henry Abril Blanco

Corporacin CDT de GAS

Erik S. Tapias ChvezJos A. Fuentes OsorioLuis E. Garca SnchezJorge. A. Reyes Valds

PhD Kazuto Kawakita DirectorCentro de Metrologa de Fluidosdel IPT BrasilPhD Dionisio Laverde ProfesorUniversidad Industrial deSantander Colombia

Leonardo Manzano Paredes

Director/

Editor/

Comit Editorial/

Comit Cientfico/

Diseo/

MET&FLU como revista especializada en la Aplica-cin de la Metrologa de los Fluidos llega por segunda ocasin a sus lectores, y en un momento clave, ad-portas del inicio del Foro Nacional sobre la Calidad de la Educacin 2010, Aprendiendo con el Bicentenario, organizado por el Ministerio de Educacin Nacional de Colombia.

Me refiero con alegra y con gran esperanza a este evento, dado que en los ltimos 15 aos he contado con la fortuna de coadyuvar con el apoyo de COL-CIENCIAS y de entidades internacionales- a la crea-cin de espacios de formacin especializada, a par-tir de los conocimientos de jvenes estudiantes de ltimo nivel de tecnologas e ingenieras de algunas de las universidades del rea metropolitana de Bu-caramanga (Santander Colombia), llegando hoy a consolidar, a mi juicio, un verdadero cambio cultural entre los que anteriormente pensaban en la medicin de los fluidos con una naturaleza exclusivamente pragmtica, y los que dentro de nuestro proceso, la vemos hoy con una visin centrada en raciocinios y conocimientos que aporta la Ciencia de la Metrologa.

No podra seguir escribiendo esta editorial sin citar al Doctor Javier Martnez Aldanondo, Gerente de Ges-tin del Conocimiento de Catenaria (Chile), quien con sus enseanzas a travs de sus escritos, me llena de energa y me muestra el camino que debemos reco-rrer. En uno de ellos considera y explica el porqu, el conocimiento no se puede transferir asegura que no es un objeto sino que es una estructura neuronal y como tal, no es susceptible de ser transferido a otra persona- y que si se pudiera transferir directamente, sera uno de los principales descubrimientos de la his-toria que resolvera a la humanidad una cantidad ini-maginable de problemas, empezando por el ms im-portante: La Educacin. Agrega el Doctor Martnez que sin embargo existe una buena noticia al respecto, y se refiere a que se pueden adquirir dichos conoci-mientos, generando las propias estructuras neurona-les mediante un proceso que resulta capital para las personas, para las organizaciones y muy especial-mente para los PASES: Se refiere el Doctor Martnez al APRENDER.

EL CONOCIMIENTO EXISTE, PERO SLO SI SE APLICA.Se requiere facilitar el intercambio y la colaboracin

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Para llevar este aporte al contexto de Colombia, es preciso adentrarnos en el hecho de que todas las or-ganizaciones son verdaderos yacimientos de conoci-miento que les permiten obtener sus resultados, sin embargo dichos conocimientos permanecen estticos y difcilmente se permite su socializacin y por ende su intercambio. Inclusive, se ha hecho evidente en algunos sectores que en lugar de generar los proce-sos de aprendizaje colectivo que permitan consolidar conocimiento colombiano, se ha llegado a aceptar que profesionales extranjeros o empresas internacio-nales diriman un conflicto tcnico, y que definan en el corto plazo, quin tiene la razn, cuando en reali-dad el problema puede radicar en aspectos totalmente atpicos, quizs propios de las condiciones y carac-tersticas ecuatoriales en donde se encuentra situado nuestro pas.

Como el conocimiento no se puede transferir, es muy importante EL APRENDER y por eso, la forma que es-cojamos para que las personas aprendan, tiene tanta importancia porque no todos los mtodos son iguales ni dan los mismos resultados. En el CDT de GAS en Colombia se viene generando un proceso que radi-ca en almacenar y transferir la informacin, dado que todo conocimiento est compuesto por informacin. Ya se ha hecho realidad en la prctica a la luz de la metrologa fsica (volumen y flujo de gas), en donde se realiz un esfuerzo nacional y se logr establecer au-tonoma y confiabilidad para mejorar los procesos productivos y para brindar confianza en la comerciali-zacin del energtico. Ahora, con profesionales mejor formados tecnolgicamente -con especializaciones, maestras e iniciando doctorados- es necesario ha-cer que gire la rueda de la metrologa analtica.

Finalmente debo dejar suficientemente claro, que nuestra industria nacional viene interiorizando el cam-bio cultural y desde esta pequea pero significativa institucin de ciencia y tecnologa evidenciamos con placer y con gran entusiasmo, que una vez que han visto la luz comprenden que hacer las cosas bien y con ventajas competitivas respecto a las ofertas tra-dicionales, las nuevas propuestas de cambio cultural y mejora productiva NO TIENEN PRECIO. En verdad no importa cuanta informacin se acumule, importa

cunto conocimiento podamos demostrar, pero sobre todo, cuanto conocimiento podemos aplicar. Por ello no hemos vacilado en usar el mejor mtodo: APREN-DEMOS HACIENDO. Requerimos entonces recorrer el camino ms sensa-to que consiste, no en almacenar conocimiento, sino en facilitar el intercambio (interna y externamente) y la colaboracin entre las personas (y entre las institu-ciones), pero sobre todo, necesitamos oportunidades para continuar aprendiendo y stas solo se encuen-tran presentes en los diferentes escenarios naciona-les (Gobierno, Universidad e Industria) a donde ofre-cemos nuestro concurso, para continuar consolidando un proceso netamente colombiano.

Consideramos que para alentar a nuestros profesio-nales y en general a nuestro proceso, hemos sido y seguiremos siendo asiduos defensores y ejecutores de un proverbio hind, que igualmente nos recuerda el Dr. Javier Martnez y que reza: A los ignorantes los aventajan los que leen libros. A stos, los que retienen lo ledo. A stos, los que comprenden lo ledo y a s-tos, los que ponemos manos a la obra.

Lo hemos demostrado a travs de una excelente vigi-lancia tecnolgica, con una sincera relacin internacio-nal con Brasil y Mxico, y posteriormente, diseando, construyendo y colocando en marcha la Infraestructu-ra Metrolgica para brindar trazabilidad a las medicio-nes de gases en Colombia.

Los invito nuevamente a disfrutar de este nuevo es-fuerzo nacional que pretende transferir informacin para el avance de nuestra sociedad.

Henry Abril BlancoDirector: Corporacin CDT de GAS

RESUMEN.El presente documento ofrece una visin desde la ciencia y la tecnologa (C&T), a los lmites es-tablecidos para la calidad del gas natural de acuerdo con la regulacin colombiana y su relacin con otros pases del primer mundo. De acuerdo con el diccionario de la Real Academia Espao-la, Perspectiva es el arte que ensea el modo de representar en una superficie, los objetos, en la forma y disposicin con que aparecen a la vista. En este sentido, los autores plasman su visin, considerada en principio ms ajustada a la realidad, que viene favorecida por el anlisis del Estado del Arte, y por la distancia con que hasta el momento, el CDT de GAS apoya estos procesos en Colombia. Se genera una alerta temprana evaluando el escenario de mediano plazo en el cual podra estar inmerso nuestro pas (inclusive con aplicacin para los pases de la comunidad andina) al hacerse realidad la integracin energtica de Amrica Latina en la cual se visualiza la convergencia de diversas fuentes y composiciones de suministro y entrega de gas natural. En el cuerpo del documento, se relacionan las tendencias internacionales en torno al mximo aprovechamiento del energtico y a la mitigacin de los efectos que puedan causarse en cuanto a seguridad y medio ambiente. Finalmente se realiza un anlisis desde la ptica de la Metrologa Aplicada a los procesos, en donde se concluye la importancia de emprender acciones sinrgicas, que permitan generar conocimiento colombiano y aplicarlo para sugerir (introducir) cambios (de ser necesarios) a los lmites sealados en la reglamentacin colombiana estable-ciendo la conformidad en torno a criterios medibles, cuantificables y que estn al alcance del avance de la ciencia y la tecnologa, buscando con ello, optimizar los recursos invertidos por el sector gas en asesoras e infraestructura y generando un beneficio real (seguridad y economa) para los consumidores finales.

Perspectiva de Anlisis Tecnolgico a los Lmites de Especificacin de la

CALIDAD DEL GAS NATURAL Establecidos en la Regulacin Colombiana

Sandra M. Hernandez Suarez (shernandez@cdtdegas.com)Jose A. Fuentes Osorio (jfuentes@cdtdegas.com)

Henry Abril Blanco (habril@cdtdegas.com)Corporacin Centro de Desarrollo Tecnolgico del Gas

Todas las teoras son legtimas y ninguna tiene importancia. Lo que importa es lo que se hace con ellas. Jorge Luis Borges (1899-1986) Escritor argentino

Conjunto de teoras y de tcnicas que permiten el aprovechamiento prctico del conocimiento cientfico, orientados a producir bienes y ser-vicios de utilidad econmica, social, y poltica.

En esta seccin, cada semestre, expertos nacionales y/o extranje-ros, ofrecern artculos tcnicos que buscan sensibilizar a nuestros lectores, acercndolos con conoci-miento, a la aplicacin de la metro-loga en las diferentes actividades de nuestra sociedad.

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1Asociacin colombiana de Gas Natural2Asociacin colombiana de Ingenieros. 3Gas Natural Licuado4Gas Natural Comprimido5Superintendencia de Servicios Pblicos Domiciliarios.6Agencia Nacional de Hidrocarburos7Comisin de Regulacin de Energa y Gas

1. INTRODUCCIN

1.1 Panorama actual: Abastecimiento de gas na-tural en Colombia

En el contexto de las respetuosas discusiones pre-sentadas durante la XIII Asamblea y Congreso Anual de NATURGAS se hizo evidente, que a medida que crecen los procesos de exploracin, explotacin y de-manda, el mercado internacional del gas se acerca cada vez ms a Colombia, lo cual implicara la dis-ponibilidad de gas natural procedente de diferentes fuentes, incluyendo aquellas asociadas al gas prove-niente de otros pases, e inclusive el fortalecimiento de los escenarios de exportacin del energtico. Este aspecto debe generar una alerta temprana, no slo en el sentido de la preparacin necesaria para asumir las actividades de comercializacin, sino tambin para el desarrollo de tareas especficas que requerirn de una alta competencia tecnolgica al acceder a nue-vas fuentes disponibles en el mercado, a las mayores exigencias de seguridad en el manejo y operacin, a las mejoras en la confiabilidad del suministro y sin lu-gar a dudas, a la correcta medicin de los volmenes comercializados (recibidos y entregados) y al estricto control de los contaminantes presentes en el gas na-tural disponible para el consumo en Colombia a todos los niveles (domiciliario, industrial, trmico, petroqu-mico, etc.).

Al respecto desde 2009 ACIEM2 mencionaba que los anlisis de los escenarios futuros del gas natural en Colombia, indicaban que las reservas actuales cu-briran la demanda nacional total hasta mediados de 2018 y que si no se dieran nuevos descubrimientos de gas natural en los prximos aos, Colombia tendra que suplir sus necesidades mediante la Importacin y Regasificacin de GNL3, y/o con GNC4 transportado en Barcazas, desde Trinidad y Tobago [1]. As mis-mo, la SSPD5 en el Congreso de NATURGAS (2010), destac que uno de los mltiples retos para garantizar la seguridad del mercado colombiano de gas natural, era introducir mayor flexibilidad y confiabilidad en el mercado del gas mediante la apertura al GNL, instala-ciones de regasificacin y apertura a un rgimen cla-ro de importaciones y exportaciones [2]. Igualmente para un escenario de mediano plazo el suministro de gas natural podra darse tambin a travs de la inte-gracin energtica de Amrica Latina y el Caribe a la cual se refiri la ANH6 durante el mismo evento, donde destac que los mercados energticos regionales se integrarn principalmente interconectando los siste-mas energticos y las redes de gas natural para crear economas de escala, reducir costos, y aumentar la fiabilidad de los sistemas energticos nacionales[3].

En sntesis, la red de gasoductos colombianos podra ser alimentada en el corto y mediano plazo, por una mezcla de gas natural de diferentes composiciones

proveniente de diferentes fuentes de suministro y de ser suficiente, en razn a los ingentes esfuerzos que hace el gobierno colombiano y la industria para lograr mayores reservas podran inclusive fortalecerse los escenarios de exportacin de gas natural en donde llamara tecnolgicamente la atencin, la exportacin de GNL.

1.2 Panorama actual: Reglamentacin sobre l-mites de calidad del gas natural en Colombia

La especificacin de los parmetros de calidad del gas natural en Colombia se encuentra establecida en la Resolucin de la CREG7 Nmero 071 de 1999 (Re-glamento nico de Transporte -RUT), as como en las dems normas que la han modificado, adicionado, aclarado o sustituido, en especial las Resoluciones CREG 054 de 2007, CREG 041 de 2008 y CREG 131 de 2009, las cuales incluyeron reformas al numeral 6.3.2 del RUT titulado Verificacin de la Calidad en cuanto a la metodologa de comprobacin de los com-ponentes del gas natural (especficamente poder calo-rfico del gas, dixido de carbono, nitrgeno, oxgeno, gravedad especfica, cantidad de vapor de agua, sul-furo de hidrgeno y azufre total), y parmetros para determinar (inclusive) la competencia de los audito-res. Por otra parte, la Resolucin CREG 187 del 18 de diciembre de 2009, complement el numeral 6.3 del RUT, mediante la inclusin del numeral 6.3.5 Especi-ficaciones de calidad del gas natural bajo condiciones de racionamiento programado, declarado mediante la Resolucin 18 1654 de 2009 emitida por el Ministerio de Minas y Energa como una medida de choque que permitiera atenuar las marcadas consecuencias ad-versas del denominado Fenmeno del Pacfico en Co-lombia y que, en esencia, permite comercializar gas natural fuera de especificaciones, hasta donde tcnica y econmicamente sea factible, segn su artculo 4.

En sntesis, se observa que la revisin de las espe-cificaciones de calidad del gas natural en Colombia, est experimentando una dinmica interesante, sin duda, en razn a la necesidad de entregar al Sistema Nacional un energtico con alta confiabilidad y de la mejor calidad posible. 1.3 Panorama actual: Infraestructura disponible

para anlisis de la calidad del gas natural en Colombia

5.2.1 MEDICIN DE CANTIDADES DE ENERGA Y CALIDAD DE GAS EN ESTACIONES DE TRANSFERENCIA DE CUSTO-DIA, DE ENTRADA

Para determinar las cantidades de energa y la calidad del gas en las estaciones de transferencia de custodia, de en-trada, el productor-comercializador deber disponer, a su costo, de todos los equipos en lnea requeridos para medir el volumen y la calidad, segn lo dispuesto en el numeral 6.3 de la presente resolucin, o aquellas normas que lo mo-difiquen o adicionen, y ser responsable de la operacin y mantenimiento de los mismos. El transportador ser el responsable de la medicin en lnea para determinar la can-tidad de energa y verificar la calidad del gas en las estacio-nes de transferencia de custodia, de entrada. El productor-comercializador deber contar con toda la informacin en lnea requerida por el transportador y permitirle el acceso a la misma para la medicin.

CREG 041 DE 2008

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8Segn el vocabulario internacional de metrologa VIM [4] , se entien-de por trazabilidad metrolgica a la propiedad de un resultado de medida por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadena ininterrumpida y documentada de calibracio-nes, para cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medida9Entindase proceso de medicin como el conjunto de operaciones que permiten determinar el valor de una magnitud10Todos los datos sobre metro cbico de gas estn referidos a Condi-ciones Estndar de cada pas11Los lquidos pueden ser: hidrocarburos, agua y otros contaminantes en estado lquido12Se considera como contenido de inertes la suma de los contenidos de CO2, N2 y O213El mximo tamao de las partculas debe ser 15 micrones14The European Association for the Streamlining of Energy Exchange15CEE. Center For Energy Economic.

Este aspecto -adicional al de la paridad de precios, las tasas retributivas al transporte y al suministro- repre-senta hoy en Colombia uno de los temas ms lgidos y de mayor controversia en el sector. A partir del 23 de abril del 2008 cuando se hizo oficial la modifica-cin al RUT a travs de la Resolucin CREG 041 del mismo ao, se dej establecido, como se aprecia en el recuadro, que en transferencia de custodia el pro-ductor-comercializador deber disponer de todos los equipos en lnea requeridos para medir el volumen y la calidad del gas natural, buscando dar cumplimiento estricto al numeral 6.3 del RUT el cual se detalla para Colombia ms adelante en la tabla 1. Igualmente que, segn el numeral 5.5.3.2 del RUT, se deban realizar verificaciones peridicas a dichos equipos de medi-cin por parte del transportador a intervalos pactados contractualmente entre las partes, en presencia de los representantes de los agentes respectivos.

Paradjicamente, con la expedicin del RUT en 1999 y ms an con la reforma efectuada en el ao 2008, hoy en 2010, es an incierto definir con seguridad que stas exigencias estn cumplindose en su totalidad, aspecto que salta a la vista, por ejemplo, cuando se revisa el nmero de analizadores de oxgeno instala-dos en puntos de entrada del sistema de transporte, (de obligatorio cumplimiento segn el numeral 5.2.1 del RUT) y que no se hace con base en el argumento que no hay oxgeno presente en los yacimientos, que ste parmetro es despreciable (seguir siendo as?). Lo anterior es el reflejo del problema recurrente de una buena parte de la legislacin tecnica colom-biana, la cul se establece generalmente con base en regulaciones forneas y en algunos casos, en estu-dios que con el tiempo demuestran escasa validez. De otra parte y haciendo referencia a la Resolucin 131 de 2009, podra interpretarse que se procura llegar a arreglos por la va legal en componentes eminen-temente tcnicos. Es decir, que al parecer se centran en las consecuencias de un problema, que no ha sido suficientemente analizado en su contexto, y no como debera ser en sus causas o races. Particularmen-te al presentarse disputas entre las partes, se acept inclusive, que profesionales extranjeros o empresas internacionales diriman un conflicto tcnico, y que de-finan en corto plazo, quin tiene la razn, cuando en realidad el problema radica en la falta de trazabilidad8 de las mediciones, en que la tecnologa requerida para

la evaluacin de la calidad se encuentra an en desa-rrollo y en proceso de maduracin y definitivamente, en el proceso incipiente que an vive Colombia con respecto a la metrologa analtica, a diferencia de la metrologa fsica (volumen y flujo de gas), en donde ya se realiz un esfuerzo nacional y se logr establecer autonoma y confiabilidad para mejorar los proce-sos productivos y para brindar confianza en la comer-cializacin del energtico.

En conclusin, la medicin de los parmetros de ca-lidad del gas y el seguimiento estricto de dichos pro-cesos de medicin9 son absolutamente necesarios para demostrar la Conformidad o la No Conformidad de los lmites de especificacin de la calidad del gas natural sealados en la regulacin colombiana, y por ende para garantizar el suministro de un energtico limpio a los usuarios finales del gas natural.

1.4 El Problema

Frente a este panorama y dada la dinmica internacio-nal que se presenta, plasmada de oportunidades, se hace obligatorio plantear los siguientes interrogantes:

1. Son realmente adecuados los lmites actua-les? Son muy exigentes y podran estar ge-nerando sobre-costos para nuestra industria y en general para nuestra sociedad? Son muy amplios y podran estar generando condicio-nes inseguras?

2. Cmo garantizar en Colombia que la medicin de estos lmites sea confiable en el tiempo?

Es importante informar, desde ahora, que dar respues-ta a estos interrogantes no es una tarea fcil como se ver a continuacin a travs de los anlisis realizados, a la luz de la ciencia, la tecnologa y la metrologa apli-cada a los procesos industriales.

2. LMITES DE CALIDAD DEL GAS NATURAL EN DIFERENTES PASES

La Tabla 1 muestra las especificaciones que actual-mente son consideradas relevantes en Colombia, Mxico, Australia, EASEEgas14 (a nombre de buena parte de la Unin Europea), Alemania, Reino Unido y Canad. Un anlisis rpido permite concluir que no existe entre estos pases, consenso con respecto a las especificaciones y lmites requeridos. Cabe anotar que en la comparacin no se incluy a los Estados Unidos, debido a que en este pas, por el mltiple escenario de comercializacin que desarrolla, existen diversas exigencias que no se encuentran an armonizadas. Inclusive en el documento preparado por CEE15 se concluye que la industria y el gobierno estadouniden-se deberan adoptar y promulgar un estndar global para los temas relacionados con la calidad del gas [4].

A continuacin, con el nimo de resaltar la importancia que debera desplegarse sobre cada uno de los com-ponentes y/o contaminantes asociados al gas natural, se presenta una revisin del Estado del Arte a Nivel

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Tabla 1. Comparacin de la regulacin para el transporte del gas natural.

Internacional (ao 2000 a 2009 aplicable en otros pa-ses), que mediante la utilizacin de la ciencia y la tec-nologa, viene permitiendo la realizacin de ajustes a las regulaciones internacionales. Este anlisis contie-ne aspectos generales sobre los mtodos de medicin comnmente establecidos y utilizados para mantener dentro de control dichas especificaciones.

2.1 Anlisis desde la C&T al contenido de H2S.

Atkins Consultants Ltd realiz estudios (ao 2000) en donde se destaca que la presencia de este componen-te a determinadas concentraciones, en contacto con el metal de los gasoductos y en presencia de agua, ge-nera aceleracin local de la corrosin en la tubera por presencia de sulfuro de hierro. As mismo mencion,

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ESPECIFICACIONES SISTEMA DE UNIDADES REGULACIN DE LA CALIDAD DEL GAS NATURAL

COL MX AUS EASEE ALEM UK CAN

Mximo poder calorfico bruto (GHV)1 MJ/m

3 42,8 41,55 -- 54,15 47,16 42,3 54,7

Mnimo poder calorfico bruto (GHV) MJ/m

3 35,4 35,42 -- 46,52 30,24 36,9 36,14

Contenido de lquidos2 -- Libre de lquidos Libre de lquidos

Libre de lquidos

Libre de lquidos --

Libre de lquidos

Libre de lquidos

Contenido total de H2S mximo mg/m

3 6 6,1 5,7 5 5 5 6

Contenido total de azufre mximo mg/m

3 23 150 50 30 30 50 23

Contenido CO2, mximo % volumen 2 3 -- 2,5

En evaluacin. 2,5 2

Contenido de N2, mximo % volumen 3 5 -- --

En evaluacin -- 3

Contenido de inertes mximo 3

% volumen 5 5 7 6 6 7 --

Contenido de Oxgeno mximo % volumen 0,1 0,2 0,2 0,01 3 0,2 0,4

Contenido de agua mximo mg/m

3 97 112 73 -8C a 69 barg -10C a 75

barg 50 113,2

Temperatura de entrega mximo C 49 50 50 -- -- -- --

Temperatura de entrega mnimo C 7,2 10 2 -- -- -- --

Contenido mximo de polvos y material en

suspensin4mg/m 1,6 Libre de partculas

Libre de partculas

Libre de partculas

Libre de partculas

Libre de partculas

Libre de partculas

ndice de Wobbe MJ/m3 -- 45,8 a 50,6 46,0 a 52,0

47,4 a 54,7

46,08 a 56,52

47,4 a 54,7 Variable

Contenido de Hidrgeno % volumen -- -- 0,1 -- 0,1 --

Contenido de Mercaptano mximo mg/m

3 -- -- 5 6 6 6 5

ndice de combustin incompleta

-- --- -- -- -- 0,46 0,46 --

ndice de holln --- -- -- -- -- 0,6 0,6 --

Condiciones estndar

Ps KPa 101,008 98,071 101,325 101,325 101,325 101,325 101,559

Ts K 288,705 293,150 288,150 273,150 273,150 288,150 288,706

3

16Departamento de Industria y Comercio del Reino Unido17Department for Business Enterprise & Regulatory Reform18Entidad privada especializada en estudios de este tipo, que ha sido contratada por el DTI. Hoy se conoce con el nombre de Germanischer Lloyd.

que durante la combustin del gas natural se facilita la formacin de dixidos de azufre (SO2), que a su vez constituyen un cido al entrar en contacto con agua generando un amplio impacto de acidificacin en el suelo, en las aguas superficiales, en los organismos vivos y en las estructuras o edificaciones. Finalmente indic, que puede llegar a presentar toxicidad en los humanos dependiendo de las concentraciones y del nivel de exposicin [6].

De acuerdo con un estudio del DTI16 en el 2005, se referencia una experiencia donde el gas natural, con niveles de H2S dentro de la especificacin actual (5 mg/m3), gener reacciones con el cobre de los tubos de algunos equipos domsticos de combustin de los usuarios, formando una pelcula de sulfuro de cobre. Estos depsitos de sulfuro de cobre se acumulan en las partes internas de los aparatos de gas, como polvo negro. El DTI, en su estudio, consider que esta con-dicin puede generar, tanto aumento del consumo de gas (disminucin de la eficiencia trmica), como con-diciones de operacin insegura por causa de diferen-tes efectos tales como el taponamiento del quemador, por lo tanto recomend la reevaluacin del lmite de H2S [7].

Igualmente Atkins Consultants Ltd mencion que el valor mximo para que no se forme polvo negro, era de 0,4 mg/m3, valor que podra estar fuera del alcance tecnolgico y econmico de los actuales sistemas de medicin disponibles para anlisis de H2S. Frente a esta situacin el BERR17 del Reino Unido respondi en 2007 [8] que se mantendra el lmite actual, pero que era necesario disminuir los periodos de verificacin de los equipos domsticos. Finalmente, EASEE-gas, es-tableci un lmite mximo para el H2S de 4,74 mg/m

3 (un tanto menor respecto a los lmites reportados en la tabla 1), valor que se debera tener en cuenta, dado que seguramente se adoptar por parte de algunos pases, a partir octubre de 2010 [9].

2.2 Anlisis desde la C&T al contenido de Azufre total.

Generalmente, por su naturaleza, es posible que las reacciones se presenten y generen los mismos incon-venientes que los del H2S promoviendo la formacin de sulfuros de hierro.

Si se observa la tabla 1, al respecto de este contami-nante se identifica que existe una variacin conside-rable, la cual oscila entre 23 mg/m3 y 150 mg/m3, en donde se destaca que actualmente Colombia posee un lmite idntico al de Canad, siendo los dos ms exigentes con respecto a la mayora de pases estu-diados. De acuerdo con los estudios realizados por el DTI, el valor mayormente exigente se da por la nece-sidad de mantener un control sobre los catalizadores utilizados en motores de GNV los cuales son muy sen-sibles ante la presencia de azufre. Algunos de los tra-

bajos ms detallados sobre el comportamiento del gas natural en los motores de combustin, que permitieron establecer el efecto del azufre en los catalizadores de oxidacin del metano, son el de J. K. Lampert (1997) [11] y McCormick (1996) [12] . En estos trabajos se pudo concluir que el azufre en motores de GNV, inhibe fuertemente la oxidacin de metano por encima del efecto de los catalizadores de paladio (utilizados para disminuir la salida de gases hidrocarburos no que-mados, a la atmsfera), en cantidades relativamente bajas (1 ppm en masa) de azufre a xidos de azufre presentes en la salida de los gases de combustin, y que se podra presentar envenenamiento con azu-fre, que consiste en la desactivacin (disminucin de la capacidad de oxidar) del metano en mayor medida que los hidrocarburos no metnicos (NMHC: etano y propano) y por lo tanto podra aumentar la cantidad de hidrocarburos no quemados en los gases de combus-tin. Esta condicin genera disminucin de la vida til de los catalizadores usados para los gases de escape y aumento de las emisiones, lo cual podra superar los niveles establecidos en la regulacin. Al respecto se ha identificado, en el estudio del DTI [7], que las pruebas ejecutadas con gases de referencia y nivel de azufre de hasta 50 mg/m3, resultaron satisfactorias. La proyeccin de Europa y Norte Amrica, segn AD-VANTICA18, con respecto a este parmetro, es el uso de lmites no mayores a 30 mg/m3 de azufre total.

2.3 Anlisis desde la C&T al contenido de CO2.

Del estudio de ADVANTICA realizado en 2002, se re-salta que la presencia de este componente, a deter-minadas concentraciones puede producir corrosin por la interaccin de agua formando acido carbnico (H2CO3). Igualmente se conoce que el CO2 es un con-siderable potencial del calentamiento global, sin em-bargo es claro que la cantidad presente en su estado natural resulta generalmente despreciable, en compa-racin con la formada a travs de los diferentes proce-sos de combustin de estos energticos, incluyendo el gas natural, aspecto que propicia una disminucin de la eficiencia de la combustin en algunos equipos y la formacin de monxido de carbono en los gases de combustin. De acuerdo con ADVANTICA, gases naturales con concentraciones de CO2 cercana a 6% molar producen emisiones relativamente similares, con respecto a un gas sin presencia de CO2 para ga-ses naturales con ndices de Wobbe entre 46 MJ/m3 y 54 MJ/m3 [10].

Al comparar este contaminante en la Tabla 1, se evi-dencia una variacin entre 2% y el 3%, lmite que se ha establecido principalmente por las recomendaciones dadas en el estndar NACE MR0175, donde se espe-cifica una aproximacin de la condicin de corrosin en tuberas a partir de la presin parcial del CO2 en el gas natural. Recientemente en Colombia mediante la Resolucin 187 de 2009 emitida por la CREG, se estableci que durante el perodo de racionamiento programado, declarado por el Ministerio de Minas y Energa (MME), es posible comercializar gas con con-centraciones de CO2 hasta 3,5% en volumen (molar).

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2.4 Anlisis desde la C&T al contenido de N2.

La presencia de Nitrgeno (N2) a determinadas con-centraciones en el gas natural podra generar un incre-mento en la formacin de foto-oxidantes tales como los xidos nitrosos (NOx), dainos a la salud humana y al ecosistema [10]. Al revisar este parmetro en la tabla 1, se evidencia tambin una discrepancia considera-ble entre ciertas regulaciones (entre 3% y 5% molar). Estudios independientes realizados por BSRIA LTD [13] y ADVANTICA [10] concluyeron que concentra-ciones de N2 de 6% molar no generaban condiciones inseguras de combustin ni mayor emisin de NOx, y que el aumento de la formacin de los foto-oxidantes, se deba principalmente a inadecuadas prcticas de operacin de los sistemas de combustin. Es impor-tante tener en cuenta que esta conclusin se logr, slo para cuando el ndice de Wobbe de los gases naturales utilizados, se mantuvo entre 46 MJ/m3 y 53 MJ/m3.

BSRIA LTD [13] concluy, resaltando la importancia de que se controlara el ndice de Wobbe, con el objeto de evitar condiciones inseguras relacionadas con com-bustin incompleta en aplicaciones domsticas, para los casos en que la presencia de concentraciones de CO2 o N2 sean relativamente altas (alrededor de 6% molar). Adicionalmente sugiri que en el Reino Unido, el uso de gases naturales con ndices de Wobbe entre 46 MJ/m3 y 53 MJ/m3 no genera considerables emi-siones de NOx y CO en presencia de considerables niveles de inertes (cercanos a 6% molar). 2.5 Anlisis desde la C&T al contenido mximo

de inertes.

En el entorno internacional se concluy, que aunque de manera individual el CO2 y el N2 no afectan la segu-ridad del uso de gas natural, a altas concentraciones (por ejemplo 6% molar segn el estudio de ADVANTI-CA), la suma de estos componentes puede generar altos costos de transporte y compresin y afectar el sector de la petroqumica. Por tanto en este caso, es necesario evaluar estos componentes, tanto de forma individual, como combinada.

Como se muestra en la tabla 1, la variacin de los l-mites de cantidad mxima de inertes oscila entre 5% y 7% molar. Para el caso de Colombia el limite mximo es 5% molar, sin embargo, a partir de la Resolucin 187 de 2009 emitida por la CREG, es posible comer-cializar gas con cantidad total de inertes de hasta 7,1% molar. Para destacar, este lmite de emergencia para Colombia, es similar al lmite normal establecido en el Reino Unido, lo cual podra hacer pensar, que la especificacin con respecto a inertes en Colombia es muy exigente, y que podra estudiarse su efecto para evaluar una probable ampliacin del lmite de este pa-rmetro, desde el punto de vista econmico y de segu-ridad en la operacin.

2.6 Anlisis desde la C&T a la cantidad mxima de O2.

El oxgeno (O2) generalmente no se encuentra pre-sente en cantidades significativas en los yacimientos de gas. Su presencia en el gas natural se suele atribuir a la contaminacin durante las diferentes actividades de la cadena del gas, o al nitrgeno o al aire inyectado como medio para moderar el ndice de Wobbe. Como se evidencia en la tabla 1, los lmites establecidos en las diferentes regulaciones, varan ampliamente en todo el mundo, lo que refleja, diferentes normas, usos, costumbres, infraestructuras, etc.

Un estudio realizado por el DTI [7], analiza un pa-norama del lmite mximo de O2 entre los estableci-dos para el Reino Unido (0,2% para uso industrial y 0,001% para sistema de transporte dado que se utiliza el GNL) y el lmite sugerido por el EASEE-gas 2006 [9] (0,01% molar). En este anlisis se destaca que los efectos causados por la presencia de trazas de oxge-no en los procesos de combustin (cercanos al 0,2% molar en el suministro de gas) son despreciables; que la contribucin hecha por el oxgeno en el suministro de gas a la eficiencia energtica de los aparatos de gas en la combustin, tambin puede ser insignifican-te; que los niveles mximos permisibles de oxgeno para motores de gas son tpicamente 0,5% - 1,0% y que por lo tanto los lmites son adecuados bajo este aspecto; que las turbinas de gas normalmente tole-ran slo trazas de oxgeno (entre 0,1% y 0,2% molar) en los gases de suministro, sin embargo, es clara la alerta temprana identificada, en relacin con los l-mites actuales de oxgeno en el Reino Unido (0,2% molar), porque en presencia de agua libre, el oxgeno del gas natural puede promover la corrosin de me-tales en tuberas y en sus sistemas asociados, por lo tanto resulta indispensable que en las regulaciones se hagan esfuerzos para mantener la atencin, sobre el equilibrio entre el nivel permisible de oxgeno y el pun-to de roco de agua.

Con respecto al estudio mencionado [6], se afirma fi-nalmente que el nivel de O2 actual en el Reino Unido (0,2% molar) es apropiado, salvo una atencin espe-cial que debe hacerse durante la operacin de las tur-binas. Sin embargo este mismo estudio, en su anlisis del lmite para transporte (0,001% molar), manifiesta que es probable que este valor este generando una carga financiera considerable por las exigencias de tratamiento de gas requeridas y que los beneficios no son apreciables. Sin embargo para el caso de las plantas de GNL, gases naturales con cantidades de oxgeno por encima de 0,001% molar, puede gene-rar efectos adversos debido a que existe la posibilidad que se presente combustin de trazas de oxgenos con hidrocarburos, ante las altas temperaturas pre-sentes en los calentadores necesarios para la regasi-ficacin, obteniendo como un subproducto, presencia considerable de agua. Este contenido satura fcilmen-te los tamices moleculares utilizados en los separado-res de las plantas de regasificacin, disminuyendo su vida til. Por lo tanto es necesario realizar un anlisis detallado de este lmite, si Colombia en un futuro est considerando seriamente el GNL como una tecnolo-ga, especialmente de exportacin, dentro del proceso demanda-oferta de gas natural.

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19www.nationalgrid.com/. National Grid is one of the worlds largest utilities. We are focused on delivering energy safely, efficiently, relia-bly and responsibly

Figura 1. Comparacin de los lmites permisibles de contenido de agua

2.7 Anlisis desde la C&T al contenido de agua.

Aparte de los efectos ya mencionados, en procesos de aumento de velocidad de corrosin, pueden pre-sentarse otros efectos como la condicin de conden-sacin retrograda por presencia considerable de va-por de agua, afectando la operacin y funcionamiento de vlvulas, analizadores, compresores y medidores. Igualmente la presencia de agua puede generar re-manentes de agua lquida o formacin de hidratos que disminuyen la capacidad y reducen la presin en los sistemas de combustin y gasoductos; de la misma forma, las turbinas utilizadas para transformacin de energa, son considerablemente susceptibles a la pre-sencia de agua, afectando su desempeo y poniendo en riesgo la integridad del rotor de la turbina, como lo expresa el DTI [7].

Ante esta situacin el grupo NATIONAL GRID19 ha realizado estudios sobre el lmite de cantidad de vapor y ha identificado que el punto de roco del agua debe-ra ser de -10 C, a cualquier presin igual o inferior a 85 bar(g), para que sea posible ingresar al sistema de transporte de gas. NATIONAL GRID considera que este lmite es un nivel seguro que no genera costos indebidos de transformacin en los productores de gas, mientras que se garantiza la proteccin contra los efectos de condensacin retrograda del agua. Sin embargo, EASEE-gas 2006 [9] propuso un lmite de -8C @ 69 bar(g).

A continuacin en la Figura 1 se comparan, a partir de estos lmites, la cantidad de vapor de agua en mg/m3 permisible. Obsrvese que para Colombia es un valor fijo independiente de la presin, a diferencia de las re-ferencias anteriormente mencionadas.

Resulta evidente, que se presenta una considerable diferencia de la cantidad permisible de H2O en el RUT de Colombia con respecto a las otras referencias, a presiones de operacin altas. Los estudios para iden-tificacin de los lmites propuestos por EASEE-gas y NATIONAL GRID fueron desarrollados entre los aos 2002 y 2004, y este parmetro no ha sido modificado en Colombia desde 1999, por lo tanto sera importante realizar un revisin de la aplicabilidad del lmite para nuestro entorno, en razn a la presencia de humedad en las puertas de ciudad, identificando igualmente la forma ptima de reportarla, ya sea como punto de ro-co como el contenido de agua.

2.8 Anlisis desde la C&T al contenido de H2.

En el documento API RP 941, se destaca en cuanto al contenido de hidrgeno (H2), que a temperaturas y presiones elevadas el hidrgeno atmico tiene la ca-pacidad de penetrar el acero al carbono o el aleado, y reaccionar con carburo de hierro, con lo cual aparece una fase frgil y la tendencia a formar grietas internas. Este proceso de descarburizacin se conoce como ataque de hidrgeno y origina un significante deterioro

de las propiedades mecnicas, tales como resistencia a la tensin, dureza y ductilidad, condicin que puede afectar los sistemas de transporte como los equipos asociados para medicin, regulacin, calentamiento, etc.

Segn DTI 2005 [7], altos contenidos de H2 pueden presentar problemas de seguridad en la combustin del gas natural, debido a que este posee una muy alta velocidad de combustin, lo que puede ocasionar re-troceso de llama en equipos de aplicacin domstica. En el caso contrario, a bajas concentraciones de H2, existe el riesgo de que su presencia genere alarga-miento de la llama y esta se acerque demasiado a otros elementos (por ejemplo el intercambiador de ca-lor en un equipo de combustin). EASEE-gas propone un valor de control en 0,1% molar. Otros estudios rea-lizados por el comit ejecutivo de la IEA Greenhouse Gas R&D Programme [15] sobre el efecto invernade-ro, mencionan que la adicin de hidrgeno al gas na-tural puede tener un efecto moderador sobre el Indice de Wobbe, generando una reduccin en las emisiones de CO2 y por ello DTI plantea utilizar gases naturales con concentraciones de hidrgeno por debajo del 3% mol, ampliando el lmite de hidrgeno de forma gra-dual, pero evaluando constantemente el desempeo de los equipos de combustin, especialmente los de aplicacin domstica, para garantizar el uso de gas natural con mayores concentraciones de H2.

En Colombia actualmente la cantidad mxima de Hi-drgeno no hace parte de los parmetros para evaluar la calidad del gas. El panorama anteriormente indica-do, inducira a pensar, que es vlido evaluar los lmites de este componente en las especificaciones de cali-dad del gas natural.

2.9 Anlisis desde la C&T con respecto al ndice de Wobbe. (Intercambiabilidad)

La Intercambiabilidad de un gas, segn el artculo publicado por Jack Powell [16], es la capacidad de sustituir un combustible gaseoso por otro, en una apli-cacin de combustin sin cambios sustanciales en la seguridad operacional, la eficiencia, rendimiento o au-mento de manera significativa de las emisiones conta-minantes al aire. La intercambiabilidad esta principal-mente asociada a un problema del uso final, debido a que se centra en la combustin en aplicaciones do-

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20The Federal Energy Regulatory Commission21Gas Safety (Management) Regulations 1996 of UK22International Gas Union.

msticas o industriales y equipos para generacin de energa elctrica, por lo tanto es necesario controlar la calidad del gas en el suministro. Sin embargo Powell resalta, que el anlisis debe ser mucho mas profun-do debido a que durante el proceso de transferencia de custodia productor-transportador y transportador-comercializador pueden presentarse diferentes con-diciones que llegaran a alterar la combustin final del gas comercializado.

En relacin a la intercambiabilidad de gases en uso final, Advantica [10], menciona que el aumento del poder calorfico y del ndice de Wobbe (IW) se debe principalmente a la presencia de cadenas de hidro-carburos ms largas, generando la necesidad de mayor cantidad de aire u oxgeno, para que se pre-sente adecuadamente la mayor cantidad de oxidacin de los carbonos. Si para un determinado equipo de combustin con determinadas dimensiones de que-madores, se presenta una variacin considerable de su composicin y por lo tanto del IW, esta condicin podra generar la denominada combustin incom-pleta caracterizada por la formacin considerable de contaminantes como CO y NOx y obviamente una dis-minucin en la eficiencia de combustin. En el Reino Unido, dada la importancia de este parmetro relacio-nado con la seguridad de los usuarios finales, Advan-tica concluy, que gases que cumplen con los lmites, bajo condiciones normales (47,2 MJ/m3 y 51,41 MJ/m3), y bajo los lmites de emergencia (46,5 MJ/m3 y 52,85 MJ/m3), cumplen con una operacin adecuada, limpia y eficiente sin llegar a afectar el desempeo de los equipos de combustin. Adicional a este efecto, destac que el aumento no controlado del IW puede ocasionar disminucin de la vida til y confiabilidad de la turbinas de combustin, as como disminucin del desempeo de las calderas, y dao a intercambiado-res de calor por depsito de holln. Por lo anterior, este parmetro es clave para generar un panorama afn al uso racional de la energa. En Colombia, la CREG co-loc a consideracin del sector, el documento CREG D 062 de 2008 que hace alusin a este tema. A la fe-cha no existen decisiones concluyentes.

Retomando la temtica de intercambiabilidad en transporte y distribucin, se destaca que en 2005 el grupo de trabajo de intercambiabilidad denominado NGC+ [17], estableci una serie de recomendaciones presentadas a la FERC20 de E.U., relacionadas con lineamientos provisionales para la intercambiabilidad del gas, principalmente para los transportadores. En resumen estas recomendaciones fueron enfocadas a establecer polticas para definir la intercambilidad del gas donde se especifica claramente la necesidad de garantizar la intercambiabilidad en el punto de transfe-rencia productortransportador y transportadordis-tribuidor, por probables contaminaciones durante el transporte del gas. Igualmente hizo nfasis en colocar especial atencin a aquellos casos en donde se utilice inyeccin de gases inertes o aire, para la disminucin del poder calorfico en distribucin de gas y destac

as mismo que se requiere un anlisis mucho ms de-tallado del comportamiento de la intercambiabilidad del gas, por probable presencia de GNL regasificado, en la red de gasoductos.

Finalmente indic que el poder calorfico, no es una medida adecuada de intercambiabilidad del gas y slo tendra sentido utilizarlo, con factores adicionales ta-les como el factor de combustin incompleta y otros factores similares. Recalc que el ndice de Wobbe es el factor ms robusto para establecer la intercambia-bilidad del gas.

2.10 Anlisis desde la C&T con respecto a Factor de Combustin Incompleta y el ndice de Ho-lln.

En Europa para brindar informacin complementaria al ndice de Wobbe, que permita garantizar gases na-turales con propiedades que contribuyan a una com-bustin ms limpia, se han incluido estudios que con-templan el Factor de Combustin Incompleta (FCI) y el ndice de holln (IH).

El FCI corresponde a un ndice emprico desarrolla-do por Dutton y sus colaboradores, que relaciona la composicin del gas con la tendencia a la combustin incompleta, en aplicaciones de gas [19]. Esta factor es calculado mediante la siguiente ecuacin dada en GS(M)R21: Donde,

IW : ndice de Wobbe en MJ/m3 a las condiciones estndar PN : corresponde a la suma de las fracciones molares de Propano y Nitrgeno

Igualmente el IH corresponde un ndice emprico de-sarrollado por Dutton y sus colaboradores, que rela-ciona la composicin del gas con la tendencia a la formacin de holln en aplicaciones de gas[19]. Este factor es calculado mediante la siguiente ecuacin dada en GS(M)R:

Donde,

C3H8: Fraccin molar del Propano en el gas natural evaluado N2 : Fraccin molar del Nitrgeno en el gas natural evaluado La funcin trigonomtrica dada en la ecuacin, debe ser evaluada en radianes

Actualmente, a partir del estudio realizado con los diagramas de intercambiabilidad de gases de Del-bourg y Dutton implementados por el IGU22 se ha iden-tificado que los valores aceptables e implementados en el Reino Unido son para el Factor de Combustin Incompleta (FCI) = 0,46 y para el ndice de holln (IH) = 0,6. En Colombia estos parmetros, no estn con-templados en la regulacin actual.

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23Redlich-Kwong-Soave24Lo expresado en parntesis, es de los autores25Australian Energy Market Operator

2.11 Anlisis desde la C&T al Punto de Roco de HC.

Segn el DTI, el punto de roco de hidrocarburos es un factor importante que limita el mximo nivel permisible de hidrocarburos pesados (propano, butano, pentano, etc) en el suministro de gas. La identificacin de las especificaciones actuales debera ayudar en la protec-cin contra diferentes efectos que se presentan por el aumento de los hidrocarburos pesados en el gas na-tural, y generan un aumento considerable en las emi-siones de CO y NOx en aparatos de gas durante su combustin, y a la vez la disminucin de la eficiencia energtica [7]. En el consumo del gas natural como combustible automotor tambin se hacen presentes estos fenmenos debido a la variacin en la composi-cin del gas por la condensacin de los hidrocarburos pesados, fenmeno operacional que afecta la relacin aire/combustible con consecuencias de baja eficiencia y aumento de las emisiones de dicho parque automo-tor.

Es de resaltar que con el cambio del concepto de la cricondentherm, al del punto de roco de hidrocarbu-ros se disminuy en parte la subjetividad expresada inicialmente en el RUT, pero hoy, es necesario aclarar, tal como lo expresa NPL[18], que la cricondentherm puede ser adecuadamente utilizada para la calibra-cin de los analizadores con gases de referencia pero recomienda siempre utilizar, una nica ecuacin de estado, y se refiere especficamente a RKS23.

3. KNOW-HOW, TECNOLOGA, TRAZABILIDAD E INCERTIDUMBRE ASOCIADOS A LOS L-MITES DE CALIDAD DEL GAS NATURAL: UNA VISIN PARA COLOMBIA

Como se demostr anteriormente, las especificacio-nes de la calidad del gas natural se encuentran defini-das para cada pas y hacen parte de documentos re-gulatorios, como el RUT para Colombia. Ha quedado igualmente descrito que no todos los lmites estable-cidos se cumplen en su totalidad y otros que aunque deberan hacer parte, no se encuentran incluidos en dichas especificaciones, caso que aplica igualmente para todos los pases y que obliga, por lo menos en Europa, a mantener una dinmica constante de eva-luacin en torno a la vigencia y aplicabilidad de dichas especificaciones.

Para el caso de Colombia, es evidente que la dinmica de actualizacin de los procesos e inclusive de la re-glamentacin vigente se hace aprovechando recursos econmicos disponibles en el sector, utilizando en su mayora el concurso de expertos extranjeros, quienes haciendo uso de los anlisis y resultados obtenidos en experiencias de otros pases, los replican en nuestra realidad nacional. Infortunadamente debemos confiar ciegamente en sus hallazgos y recomendaciones, dado que no se posee conocimiento colombiano, no se cuenta con infraestructura adecuada, no se ha es-tablecido la trazabilidad y tampoco se utiliza la incerti-

dumbre de la medicin, como parmetro que permita garantizar la confiabilidad de los resultados emitidos y por ende la conformidad o no conformidad con las exi-gencias nacionales. En este contexto, no cabe duda, que aunque la ciencia y la tecnologa hacen parte ya de nuestro diario vivir, en este tema de la Calidad del Gas, an Colombia no da sus primeros pasos.

Una medicin inadecuada de cualquiera de los par-metros establecidos, podra inducir a la disminucin de la eficiencia energtica, a prdidas econmicas por facturaciones errneas de la energa comerciali-zada, a una condicin insegura de uso y transporte, al rechazo del gas, a la desconfianza de los usuarios frente a las empresas distribuidoras, a condiciones de racionamiento de gas innecesarios, e inclusive a in-versiones recargadas para optimizar los procesos de tratamiento del gas natural.

Frente a este panorama, es necesario establecer en la regulacin (por ejemplo para Colombia en el RUT)24, los lineamientos que permitan garantizar mediciones confiables en los diferentes sistemas de medicin utili-zados [20]. Garantizar el grado de confiabilidad de los resultados est directamente relacionado con verificar que las tecnologas se encuentren disponibles en el mercado, en establecer una Poltica de Trazabilidad que permita obtener resultados repetibles, reproduci-bles y comparables para que Colombia tenga repre-sentacin y sea considerada seriamente en el mbi-to internacional. Es decir, Colombia debe hacer sus mejores esfuerzos para que en el mediano plazo sea completamente autnoma para garantizar la confiabi-lidad en sus procesos de comercializacin. Igualmen-te debe establecerse la mxima incertidumbre con la cual es posible realizar las correspondientes medicio-nes, dado que, como se observa en la Tabla 2, no to-dos los mtodos arrojan resultados de medicin comparables en trminos de exactitud. Adicional-mente, estos lmites de incertidumbre no incluyen los efectos asociados al muestreo del gas, por lo tanto sera necesario dentro de la regulacin, definir y exigir el cumplimiento de adecuados mtodos de muestreo, siguiendo lineamientos de estndares como el API 14.1 y la ISO 10715. Una fuente de excelente consulta al respecto, es la emitida por AEMO25 [22].

3.1 Lmites, Medida, Incertidumbre y Conformi-dad

Entonces, para establecer la conformidad de los pa-rmetros de la calidad del gas, es necesario basarse en el resultado de la medicin, su incertidumbre aso-ciada y obviamente los lmites admisibles del proceso de medicin. Evaluados los resultados alcanzados, se determina si el proceso de medicin es conforme o no conforme de acuerdo a lo establecido en las documentos regulatorios [23].

Con el objeto de facilitar la comprensin de la confor-midad o no conformidad de la evaluacin de lmites de especificaciones, se presenta a continuacin, en la Figura 2 un ejemplo prctico relacionado con el lmite de CO2 permisible, hoy en da, para Colombia.

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26Para este documento se incluyeron solo normativa ASTM, pero aplica igualmente normativa ISO la cual, poco es considerada dentro de la regu-lacin vigente.27Los autores presentan las caractersticas metrolgicas en una misma uni-dad, para componentes similares, con el objeto de facilitar la comparacin de la calidad de los resultados obtenidos

Tabl

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CONTAMINANTE ESPECIFICACIN DEL MTODO CARACTERSTICAS METROLGICAS

cido sulfhdricoH2S

Alcance de Medicin (mg/m3)

Repetibilidad (mg/m3)

Reproducibilidad (mg/m3)

0 - 1253 6,3 8,3

1390 - 12515 63,0 83,4

4,2 - 167 +/- 16,7 --

69,5 - 6950 +/- 347,7 --

0 - 1253 139 278

1390 - 12515 556 973

Azufre Total

Alcance de Medicin (mg/m3)

Repetibilidad (mg/m3)

Reproducibilidad (mg/m3)

1,39 0,22 0,36

0,14 0,07 0,11

Componentes Concentracin (mg/m3) Repetibilidad (mg/m3)

H2S 8,1 +/- 0,065

Metil mercaptano 12,5 +/- 0,090

i-Propil mercaptano 3,6 +/- 0,050

t-Butil mercaptano 9,19 +/- 0,041

Tiofeno 16,9 +/- 0,24

Sulfuro de Carbonilo 5,08 +/- 0,15

Sulfuro de dimetilo 11,6 +/- 0,38

Disulfuro de dimetilo 7,7 +/- 0,23

Tiofeno 22,16 +/- 0,55

Dixido de Carbono

(CO2)

Alcance de Medicin (% Mol)

Repetibilidad (% Mol)

Reproducibilidad (%Mol)

0 0,09 0,01 0,02

0,1 0,9 0,04 0,07

1,0 4,9 0,07 0,10

5,0 10 0,08 0,12

Mayor a 10 0,10 0,15

0 9,0 0,017 0,003

Nitrgeno (N2)

Oxgeno

(O2)

Hidrgeno (H2)

Alcance de Medicin (% Mol)

Repetibilidad (% Mol)

Reproducibilidad (%Mol)

0 0,09 0,01 0,02

0,1 0,9 0,04 0,07

1,0 4,9 0,07 0,10

5,0 10 0,08 0,12

Mayor a 10 0,10 0,15

No existen datos de precisin disponibles para este mtodo.

No existen datos de precisin disponibles para este mtodo.

No existen datos de precisin disponibles para este mtodo.

Humedad (H2O)

No existen datos de precisin disponible para este mtodo.

La precisin considerada generalmente es de +/- 25% del valor de la lectura.

Los datos de precisin se estn preparando para este mtodode ensayo mediante un estudio entre laboratorios.

Dew Point de Hidrocarburo No existen datos de precisin disponibles para este mtodo.

ASTM D4084. Anlisis de H S en gases combustibles (Mtodo de la velocidad de reaccin del acetato de plomo).

ASTM D4810. Anlisis de H S en gas natural empleando tubos detectores.

ASTM D1945. Anlisis de gas natural por cromatografa de gases.

ASTM D4468. Azufre total en gases combustibles por hidrogenlisis y Colorimetra Radiomtrica.

ASTM D7493. Medicin en lnea de compuestos azufrados en Gas Natural y Gases Combustibles por cromatografa de gases y deteccin electroqumica.

ASTM D6228. Determinacin de compuestos sulfurados en gas natural y gases combustibles por cromatografa de gases y deteccin de llama fotomtrica.

ASTM D1945. Anlisis de Gas Natural por Cromatografa de gases

Anlisis de CO2 por Espectroscopia Infrarroja.

ASTM D1945. Anlisis de Gas Natural por Cromatografa de gases

Anlisis de Oxgeno por Espectrofotometra

Anlisis de Oxigeno por el efecto de la reduccin electroqumica

Anlisis de H por espectroscopia.

ASTM D1142. Contenido de Vapor de agua por medicin de la temperatura del Punto de Roco.

ASTM D4888. Vapor de agua en Gas Natural usando Tubos detectores.

ASTM D5454. Contenido de vapor de agua en gases combustibles empleando analizadores de humedad electrnicos.

ASTM D1142. Contenido de Vapor de agua por medicin de la Temperatura del Punto de Roco.

27

2

2

2

Figura 2. Escenarios de Conformidad No Conformidad

En la Figura 2 se muestran los casos que se presentan al efectuar una verificacin de conformidad. De acuer-do con el ejemplo y realizando un anlisis grafico, en el caso A, el proceso de medicin de CO2, se encuen-tra dentro de los lmites establecidos como permisi-bles. En este caso hay una absoluta conformidad con los requerimientos para el nivel de confianza estable-cido. Caso contrario, el caso D, en el cual se encontr que el valor reportado, junto con su incertidumbre de medicin expandida, cae completamente fuera de los lmites especificados. Existe una seguridad plena de la no conformidad para el nivel de confianza estable-cido. En casos como los descritos en B y C, es esen-cial analizar y establecer polticas en la regulacin que permitan dar tratamiento a estos casos, teniendo en cuenta que una de las partes est asumiendo el riesgo de la no conformidad de la especificacin

En el caso E se evidencia una amplia incertidumbre con respecto al lmite permisible, (caso que se presen-ta, por ejemplo, cuando se selecciona incorrectamen-te un equipo de medicin), por lo tanto se concluye que el proceso de medicin no es el adecuado para evaluar el parmetro objeto de anlisis.

4. CONCLUSIONES

4.1 Panorama Integral: Futuro Deseable

Bajo las condiciones presentadas anteriormente, el rol de la calidad del gas natural en Colombia deber conformar un escenario de mayor importancia y sin duda, si se quiere mantener el liderazgo que hasta la fecha ha demostrado tcnicamente nuestra industria, deber asumirse una posicin estratgica de orden preventivo (donde la asociacin de fuerzas gobierno, entes reguladores, instituciones de ciencia-tecnologa, industria, usuarios- sea la constante) para que con su sinergia, se controle el rumbo de las futuras y exitosas transacciones comerciales y se provea un energtico limpio y seguro. Se hace necesario entonces, en razn a la ya exis-tente realidad nacional, que se tome muy en serio el 28Consejo Nacional de Operacin-gas29De acuerdo con el VIM, materiales de referencia se entiende como un material suficientemente homogneo y estable con respecto a pro-piedades especficas, establecido como apto para su uso previsto en una medicin o en un examen de propiedades cualitativas

panorama que se presenta, de manera que se con-tinen realizando esfuerzos como los que hasta el momento ha llevado a cabo la CREG y el CNOgas28 -pero refinando la intencin de tropicalizarlos a nues-tro entorno, mediante la generacin de experiencias y conocimiento colombiano, aprovechando el Sistema Nacional de Ciencia y Tecnologa, como lo muestra la Figura 3. De esta forma, las modificaciones a nuestra reglamentacin tendrn una identidad nacional sopor-tada con conocimiento e infraestructura, desde una perspectiva de ciencia y tecnologa, tal como lo vienen haciendo pases como Mxico, que se destaca por la generacin de conocimiento en torno al desarrollo de materiales de referencia29 en metrologa qumica, y Noruega, Irlanda, Canad, y en especial el Reino Unido donde se han generado alertas en escenarios similares, tomando en consideracin las prdidas de eficiencia en razn a la conversin de la energa que puede llegar a afectar la productividad y la competiti-vidad de las industrias. Es de destacar que en estos pases ya se generan alertas tempranas en relacin con los niveles de formacin de monxido de carbono, dixido de carbono, xidos nitrosos, xidos de azufre, etc, entre los probables productos de la combustin, que pueden llegar a ocasionar, tanto daos ambienta-les, como riesgos en la seguridad y en la salud pblica [10]. Vale la pena citar el esfuerzo europeo, que a tra-vs de los estudios de EASEE-gas, est pretendiendo armonizar la calidad del gas en la Comunidad Econ-mica Europea.

Finalmente, es clave destacar que en Colombia se requiere generar una dinmica para consolidar, a un nivel ptimo, los procesos necesarios que permitan establecer un laboratorio nacional de calidad de gas, autnomo, que brinde la confiabilidad requerida, que provea los gases y/o materiales de referencia y que permita definir la trazabilidad para todos y cada uno de los parmetros establecidos; solo de esta forma se podrn resolver autnoma y eficientemente, con base en ciencia y tecnologa, los conflictos tcnicos y comerciales presentes en la industria del gas a nivel nacional.

Entonces:

Son realmente adecuados los lmites actuales? Son muy exigentes y podran estar generando sobre-costos para nuestra industria y en general para nuestra sociedad? Son muy amplios y po-dran estar generando condiciones inseguras?

Ser posible obtener una respuesta satisfactoria, solo en el momento en que las partes decidan tomar par-tido y generar acciones contundentes en una misma direccin

Cmo garantizar en Colombia que la medicin de estos lmites sea confiable en el tiempo?

Igualmente, solo ser posible, a partir de la genera-cin de conocimiento colombiano, contnuo y soste-nido forjado a travs de un proceso sistemtico que permita, de acuerdo a lo recomendado por el gobierno

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nacional, contar en el mediano plazo con infraestruc-tura propia suficiente y disponible, y con profesionales graduados a alto nivel, especficamente formados para atender estas necesidades.

Este consorcio del progreso integrado por el gobierno, las entidades del sector gas y los estamentos de cien-cia y tecnologa del pas, facilitarn la obtencin de so-luciones tecnolgicas innovadoras que impulsen la in-dustria nacional y que le permitan situarse a la par de organizaciones de clase mundial. En sntesis, deber enfocarse de forma preferencial y con personal ex-clusivamente dedicado a este proceso sistemtico, al anlisis de costos y beneficios integrales, involucran-do de similar manera, a productores, transportadores, comercializadores, distribuidores, grandes consumi-dores industriales, fabricantes de equipos industria-les y gasodomsticos y sin duda a las PYMES y a los usuarios del Gas Natural Vehicular, a las pequeas industrias, a los comercios y a los usuarios residen-ciales.

Su enfoque, eminentemente tecnolgico, se dirigira hacia la vigilancia de los avances de la ciencia y la tec-nologa que permitieran estudiar diferentes escenarios de mezclas de gas, que permitiran fijar las especifi-caciones aplicables para Colombia en trminos de seguridad, eficiencia, manejo ambiental, aplicaciones operacionales y muy especialmente a minimizar las inversiones requeridas para optimizar los procesos en aras de lograr un energtico limpio para ser utilizado en un medio ambiente sostenible.

REFERENCIAS

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Figura 3. Roles y Responsabilidades para Regulacin y Control de la Calidad del Gas

Esquema utilizado en el Reino Unido [24] Sistema Propuesto para Colombia

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FUNDAMENTOSDE LA MEDICIN

DE GAS HMEDO

ResumenLa medicin de gas hmedo es una de las aplicaciones ms comunes en la prctica metrolgica industrial, y paradjicamente es -a su vez- uno de los tpicos ms incomprendidos por parte de los responsables de los procesos de medicin. Este problema queda de mani-fiesto cuando se aprecia la confusin existente entre la medicin de gas hmedo y la medicin multifsica. Una confusin de este tipo en un proyecto de medicin de gas (P. Ej. para propsitos de medicin de apropiacin en un campo productor), puede significar varios millo-nes de dlares en infraestructura inoficiosa si finalmente se determina que la aplicacin requerida era para gas hmedo y no multifsica.

Por otra parte, es claro que el gas hmedo no se puede medir como si fuera seco, y que la incertidumbre asociada a las mediciones de gas hmedo es superior, incluso en varios rdenes de magnitud, a aquella asociada a la medicin de un gas seco. Dados los enor-mes problemas que se han presentado histricamente en la medicin de gas hmedo, posiblemente inicindose (pero con seguridad acrecentndose) a partir del inicio de la Revolucin Industrial, expertos de varios pases iniciaron un proyecto mancomunado, orientado hacia la generacin de un documento de carcter tcnico que presentara el estado del arte y a su vez constituyera una gua en la mate-ria. Dicho documento vio la luz en el ao 2008 mediante el Reporte Tcnico ASME MFC-19G-2008 Wet Gas Flowmetering Guideline.

El presente artculo ofrece una sntesis de los aspectos fundamentales contenidos en el Reporte de ASME, abarcando las definiciones ms relevantes, los parmetros adimensionales tiles en este tipo de aplicaciones, como por ejemplo el de Lockhart-Martinelli y los n-meros de Froude y de Weber. Tambin se aborda la convencin que se estableci para definir cundo se puede asumir un flujo de gas como hmedo, la caracterizacin de los patrones de flujo y las herramientas usadas para predecir los mismos, los medidores que han sido usados para este tipo de aplicaciones junto con los respectivos resultados obtenidos, para finalizar dando un vistazo a las prcticas recomendadas y al complejo tema de estimar la incertidumbre en una facilidad para medicin de gas hmedo.

Juan Manuel Ortiz Afanador (juanmanuel.ortiz@tgi.com.co)John Fredy Velosa Chacn (john.velosa@tgi.com.co)Transportadora de Gas Internacional TGI S.A. ESP

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1 INTRODUCCIN

Considerando que este artculo pretende brindar los fundamentos bsicos de la medicin de gas hmedo, lo ms conveniente es iniciar con su definicin. Como se podr apreciar, van a introducirse algunos trminos (posiblemente nuevos para el lector), los mismos se irn explicando posteriormente, de manera progresi-va, para que al final del artculo el lector disponga de un panorama general y claro en esta materia.

No obstante, antes de presentar la definicin de gas hmedo, es necesario aclarar que el contenido del presente artculo est basado primordialmente en el Reporte Tcnico ASME MFC-19G-2008 Wet Gas Flowmetering Guide [1], el cual fue publicado el 11 de julio de 2008 y que constituye un estado del arte basado en la sntesis de los documentos cientficos y tcnicos publicados, as como en la experiencia do-cumentada de fabricantes y experiencias prcticas de los usuarios de este tipo de mediciones. La bibliogra-fa contenida en el Apndice P del Reporte contiene 113 referencias, las cuales se extienden desde finales de la dcada de 1940 con el artculo de R.W. Lockhart

y R.C. Martinelli acerca de la correlacin de datos para el flujo isotrmico en tuberas de dos componentes en dos fases, hasta el ao 2007.

Sin ms prembulos, el Reporte ASME define un gas hmedo valindose del parmetro de Lockhart-Marti-nelli (XLM), estableciendo que un gas hmedo es cual-quier flujo en dos fases gas/lquido donde:

Es decir que el gas hmedo es un subconjunto espe-cial dentro del conjunto de los flujos bifsicos. De tal forma, XLM0,3 es un flujo bifsico que se ha deno-minado flujo de gas hmedo, mientras que XLM>0,3 es en trminos generales un flujo bifsico, no un gas hmedo.

Con respecto al trmino flujo multifsico, el Reporte ASME es categrico al afirmar que existe ambigedad acerca de su significado, en especial porque hay tres fases o estados de la materia que se pueden reco-nocer (sin lugar a dudas) en una aplicacin de flujo de fluidos, estos son: slido, lquido y gas. De esta forma, en un sentido estricto, desde el punto de vista tcnico, un flujo multifsico sera aquel que contiene presen-tes las tres fases antes mencionadas. Mientras que un flujo bifsico sera aquel que presenta dos (cuales-quiera) de las tres fases.

Sin embargo, en la industria del petrleo y el gas, se ha extendido el uso del trmino flujo multifsico para referirse a flujos en dos fases (bifsicos), gas y lquido, cuando la fase lquida contiene ms de un componen-te (P. Ej. agua, hidrocarburos lquidos, otros fluidos). A pesar de que en la industria se est usando mal el trmino (desde el estricto punto de vista tcnico pre-sentado anteriormente), ASME tuvo que dar su brazo a torcer por la popularidad con que se usa extensiva-mente el trmino. Es as como se acept el uso del trmino flujo multifsico para denotar aquellos flujos de gas y lquido en los que hay ms de un componen-te lquido.

2 PARMETROS ADIMENSIONALES APLICABLES

2.1 Nmero de Reynolds (Re)

Para el flujo de gas en una sola fase representa la re-lacin entre las fuerzas inerciales y viscosas.

(Ec. 2)

No obstante, resulta evidente que en un flujo de gas hmedo, una porcin del rea de flujo est siendo ocupada por el lquido. Con una cantidad muy baja de lquido, a menudo se asume que el efecto del lquido sobre la velocidad promedio del gas, y la diferencia entre el caudal msico de gas y el caudal msico total son despreciables.

De esta manera, cuando se calcula el nmero de Re-

(Ec.

1)

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Letras

Smbolo

Smbolos

Smbolo

Descripcin rea transversal a la entrada del medidor Dimetro a la entrada del medidor Nmero de Froude para una sola fase Nmero de Froude densimtrico para el gas Nmero de Froude densimtrico para el lquido Aceleracin gravitacional Caudal msico Caudal msico de gas Caudal msico de lquido

Nmero de Reynolds Nmero de Reynolds asociado a la velocidad

Velocidad promedio del gas

Nmero de Weber para una sola fase Parmetro de Lockhart- Parmetro de Lockhart - moderno

Descripcin Prdida de presin por friccin en tubera recta

Prdida de presin por friccin en tubera recta

Viscosidad absoluta Viscosidad absoluta del gas Densidad Densidad del gas Densidad del lquido

de flujo bifsico como son la de J.W. Murdock [3] en 1962 y las de D. Chisholm [4, 5, 6] publicadas entre 1962 y 1967.

En conclusin, el Reporte Tcnico ASME presenta una reformulacin o modificacin del parmetro de Lockhart-Martinelli original (Ec. 5), la cual es consis-tente con la simplificacin realizada por Chisholm a la ecuacin propuesta previamente por Murdock. Sin embargo, ASME decidi continuar llamando el par-metro como Lockhart-Martinelli pues en los artculos tcnicos y en la industria del gas ya se haba exten-dido (de manera errnea y muy generalizada) el uso de dicho nombre para denotar lo que en realidad re-presentaba la ecuacin de Murdock simplificada por Chisholm. ASME expresa el parmetro como XLM, el cual se obtiene mediante la raz cuadrada del cociente entre la inercia del lquido y la inercia del gas, asu-miendo que ambos fluyeran de manera independiente o individual en la tubera.

Debe tenerse en cuenta que en esta expresin, los caudales estn dados a condiciones de flujo (no a condiciones estndar, base o de referencia). El caudal msico o volumtrico de gas indica el total asociado a la fase gaseosa (incluyendo los lquidos en fase va-por). La densidad del gas es la densidad total de la mezcla gas vapor de la fase lquida, es decir que incluye el efecto de cualquier componente lquido que se encuentre presente en el gas en estado de satura-cin.

2.3 Nmero de Froude

Originalmente el nmero de Froude representa la rela-cin entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravita-cionales asociadas al flujo de un fluido.

(Ec. 7)

ASME hace uso de una modificacin del nmero de Froude, denominada Nmero de Froude Densimtri-co, el cual se asocia tanto al gas como al lquido (Frg y Frl). Para el caso del nmero de Froude densim-trico del gas, dicho parmetro se define como la raz cuadrada del cociente entre la fuerza inercial del gas (asumiendo que el gas fluye solo en la tubera) y la fuerza de gravitacional asociada al lquido.

(Ec. 8)

De la misma forma, para el caso del lquido, se tiene:

(Ec. 9)

Donde sl es la velocidad superficial promedio del l-quido y se define de forma anloga como se hizo an-teriormente para sg:

(Ec. 10)

ynolds para una aplicacin de gas hmedo, es nece-sario usar la velocidad superficial del gas o el caudal msico de gas. La velocidad superficial del gas se define como la velocidad promedio del gas en el flujo, obtenida al asumir que solamente est fluyendo en la tubera la componente gaseosa del flujo de gas hme-do. El nmero de Reynolds asociado a la velocidad superficial se denota como Resg.

(Ec. 3)

Al reportar el nmero de Reynolds superficial para el gas, no se est considerando la influencia del lquido contenido en el flujo de gas, puesto que para el clculo se asume que el gas fluye solo (sin presencia de fase lquida) en la tubera.

Como es de esperar, la velocidad superficial promedio del gas (sg) siempre ser inferior a la velocidad real promedio del gas, debido a que la presencia de lquido en la tubera ocasiona una disminucin del rea que se traduce en un incremento de la velocidad.

(Ec. 4)

No obstante, vale la pena resaltar que en la medida en que se incrementa la cantidad de lquido, la suposicin usada para la obtencin de Resg va a perder validez.

2.2 Parmetro de Lockhart-Martinelli

Evidentemente, el parmetro de Lockhart-Martinelli posee una gran relevancia en las aplicaciones de gas hmedo. Como se pudo apreciar en la Introduccin, ASME se vali de dicho parmetro para definir el sig-nificado de gas hmedo (XLM0,3).

Este nmero adimensional fue ideado por dos ingenie-ros: R.W. Lockhart y R.C. Martinelli, quienes investiga-ron el flujo en dos fases en tuberas y en 1949 publi-caron un artculo [2] en el que analizaban las prdidas de presin asociadas a un flujo bifsico, expresadas en unidades de longitud de tubera. Para este prop-sito, Lockhart y Martinelli usaron un factor que deno-taron como X y lo definieron como la raz cuadrada del cociente resultante entre las prdidas de presin asociadas al lquido y las prdidas asociadas al gas, suponiendo que cada fluido (lquido y gas) fluye indivi-dualmente en la tubera.

(Ec. 5)

Como se puede apreciar, originalmente, el parmetro de Lockhart-Martinelli no se desarroll como una utili-dad para medicin de gas hmedo, sino para predecir prdidas de presin en un flujo bifsico, expresadas en unidades de longitud de tubera. En el Apndice A del Reporte Tcnico, ASME ofrece una amplia discu-sin acerca de la manera como se obtuvo el parme-tro de Lockhart-Martinelli en la forma como se presen-ta en el Reporte (modificado). La discusin se centra en las formulaciones realizadas en las publicaciones posteriores a la de Lockhart y Martinelli, en las que s se abord especficamente el problema de la medicin

(Ec.

6)

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Aunque los patrones de flujo han sido ampliamente descritos en diferentes documentos tcnicos, no exis-te una definicin reconocida oficialmente para desig-nar los patrones de flujo ms comunes, por tal moti-vo, un mismo patrn de flujo puede recibir diferentes nombres, dependiendo del contexto dentro el cual se est haciendo referencia. Sin embargo, actualmente existe un acuerdo razonable con relacin al nombre que reciben diferentes patrones de flujo, con tal suer-te que la existencia de ambigedades nicamente se presenta en las transiciones entre los diferentes patro-nes de flujo.

En las Tablas 1 y 2 se presenta una descripcin ge-neral de diferentes patrones de flujo aplicables a los dos tipos de corrientes sobre las cuales se han desa-rrollado ms estudios: horizontal y vertical ascenden-te. Los patrones de flujo considerados en las tablas se encuentran dentro de la regin caracterizada por parmetros Lockhart-Martinelli menores a 0,3, siendo consistentes con la definicin de gas hmedo.

En flujo vertical ascendente se presentan diferentes patrones de flujo multifsico, pero en los flujos de gas hmedo, nicamente se reconocen tres patrones: slug flow, churn-flow y flujo hmedo anular, los cua-les se describen en la Tabla 2.

Para cualquier tipo de flujo (horizontal o vertical), los lmites entre los patrones de flujo son muy difciles de definir. Inclusive al observar un flujo bifsico puede resultar extremadamente difcil decidir cul de las de-finiciones particulares se ajusta mejor, el flujo puede aparentar que se encuentra en un estado de transicin continua entre cada una de las definiciones. General-mente los patrones de flujo son inestables y cambian permanentemente, restablecindose y cambiando nuevamente.

Los patrones de flujo que se desarrollan en otras con-figuraciones de tubera, como por ejemplo el flujo ver-tical hacia abajo, han sido temas poco investigados y existe muy poca informacin al respecto. De hecho, en muchas aplicaciones de medicin de gas hmedo con flujo vertical hacia abajo se asume como si tuvie-ran flujo anular debido a que las fuerzas gravitacio-nal y dinmica del gas actan en la misma direccin. Sin embargo, a bajas presiones y una baja velocidad del gas la fase lquida puede impulsarse ms por su propio peso que por las fuerzas dinmicas.

Una situacin similar se presenta en el flujo en pla-nos inclinados, siendo muy reducido el conocimiento y con pocas publicaciones al respecto. Sin embargo, se ha podido establecer que en una aplicacin con flujo bifsico horizontal, una ligera inclinacin en n-gulo positivo facilita la formacin de slug y una ligera inclinacin negativa promueve la estratificacin. Una inclinacin positiva o negativa, a partir de un estado horizontal, tan pequea como un grado puede ocasio-nar efectos notables en el patrn de flujo.

Ocasionalmente, el parmetro de Lockhart-Martinelli puede describirse como una relacin de los nmeros de Froude densimtricos del lquido y del gas, can-celndose de esta forma las fuerzas gravitacionales asociadas al lquido.

(Ec. 11)

2.4 Nmero de Weber

El nmero de Weber representa una relacin entre las fuerzas inerciales y las fuerzas de tensin superficial asociadas a un lquido.

(Ec. 12)

Este parmetro puede llegar a asociarse al efecto que poseen las propiedades del lquido sobre los medido-res de flujo usados en aplicaciones de gas hmedo. Sin embargo, por el momento no se cuenta con sufi-cientes estudios que discutan tales efectos, y tampo-co se han publicado trabajos que presenten las dife-rencias en el desempeo de los medidores debido a cambios en propiedades individuales del lquido. No obstante, muchos investigadores sospechan que exis-te un impacto significativo sobre el desempeo de los medidores, relacionado con la tensin superficial.

En el Reporte ASME se define el nmero de Weber como la relacin entre la fuerza inercial del gas (asu-miendo que el gas fluye individualmente en la tubera), y la fuerza de tensin superficial del lquido.

(Ec. 13)

3 PATRONES DE FLUJO EN CORRIENTES DE GAS HMEDO

3.1 Qu es un patrn de flujo?

El patrn de flujo, a veces llamado rgimen de flujo, describe la manera como los fluidos se dispersan en una corriente. Cuando el gas y el lquido fluyen simul-tneamente en una tubera, las fases pueden distri-buirse en una notable variedad de patrones, los cuales difieren entre s de acuerdo con la distribucin espa-cial que adquiera cada una de las fases, generando caractersticas de flujo diferentes y particulares para cada patrn. El patrn de flujo en un sistema de flujo bifsico depende de muchas variables, de las cuales se considera que las de mayor importancia son: el caudal de gas y de lquido, el dimetro de la tubera, el ngulo de inclinacin y las propiedades fsicas de las fases (densidad del gas y del lquido, viscosidad del lquido, tensin superficial, etc.).

3.2 Tipos de patrones de flujo en aplicaciones de gas hmedo

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Tabla 1. Patrones de flujo horizontal

Patrn de flujo(Representacin grfica) Caractersticas

Flujo estratificado

Se presenta a bajos caudales de gas. El lquido (por poseer mayor densidad) fluye en la parte inferior de la tubera mientras el gas fluye en la parte superior a una velocidad mayor a la del lquido. Esta diferencia de veloci-dad genera arrastre de lquido por parte del gas debido a la fuerza cortante existente en la interface.

Flujo ondulado

En la medida en que el caudal de gas se incrementa, la inestabilidad generada por la fuerza cortante en la interfa-se gas-lquido se incrementa, dando paso a la formacin de ondas. La diferencia entre el flujo ondulado y el flujo estratificado no es muy significativa, por lo cual -a menu-do- el flujo ondulado se llama solamente flujo estratifica-do o flujo separado.

Flujo semi-slug

Al aumentar la cantidad de lquido presente en la tubera se genera un nuevo patrn de flujo en el cual las ondas que se forman en el lquido pueden alcanzar un tamao considerable en comparacin con el dimetro de la tube-ra.

Flujo slug

Este patrn de flujo es una evolucin del flujo semi-slug, en el cual las ondas que se forman pueden bloquear com-pletamente el flujo de gas.

Flujo anular

Al incrementarse el caudal de gas una parte del lquido se distribuye alrededor de la tubera adoptando una forma de anillo, otra porcin del lquido viaja en forma de gotas arrastradas por el gas. Tpicamente, a mayor caudal de gas menor es el tamao promedio de las gotas y ms delgada es la pelcula de lquido en la pared de la tubera.

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3.3 Efectos de los patrones de flujo en la medicin

3.3.1 Patrones de flujo y desempeo metrolgico

En condiciones de flujo bajo las cuales el caudal total permanece aproximadamente constante en el tiempo (aunque se cuente con un patrn de flujo inestable en el punto de medicin), es posible obte-ner resultados de medicin razonablemente con-fiables y constantes al promediar las lecturas del medidor sobre un periodo de tiempo. Es justamente a partir de esta consideracin que se hace posible el desarrollo de medidores de gas hmedo.

En aplicaciones prcticas de medicin de gas hme-do se requiere que el sistema sea capaz de funcio-nar bajo una amplia variedad de patrones de flujo. Sin embargo, en muchas aplicaciones industriales no hay un patrn de flujo claramente establecido o el rgimen es tan inestable que puede cambiar r-pidamente a partir de intervenciones operacionales comunes. Por esta razn, el desarrollo de medido-res de gas hmedo y en general bifsicos (multif-sicos) usualmente incluye la necesidad de verificar que el sistema opere bajo todos los patrones de flu-jo que se puedan presentar en el sistema.

3.3.2 Patrones de flujo y longitudes rectas de tubera

Por otro lado, de manera anloga al efecto que tie-ne la tubera aguas arriba sobre el perfil de veloci-dades de flujo y sobre el desempeo de un medidor para una sola fase, la configuracin de la tubera prxima a un medidor de gas hmedo puede tener un efecto directo sobre el patrn de flujo, por lo tan-to la seleccin de la posicin y localizacin del me-didor afectar significativamente el patrn de flujo local y posiblemente afectar tambin las indicacio-nes de un diseo particular de medidor.

Predecir el patrn de un flujo de gas hmedo no es una ciencia exacta. La prediccin del patrn de flujo es difcil inclusive para un medidor que se encuen-tra instalado en condiciones ideales (largos tramos rectos aguas arriba), y desde luego es un proble-ma serio cuando se ha instalado bajo condiciones no ideales. Considrese que en instalaciones no ideales el patrn de flujo puede haber sido pertur-bado por un componente de tubera aguas arriba y estar en proceso de retornar a su condicin natu-ral (sin perturbaciones), a la entrada del medidor. Es decir, podra estar en un rgimen de transicin mientras fluye a travs del medidor. Sin embargo, como aspecto positivo, la escasa informacin que existe sobre este tema, a partir de pruebas efec-tuadas en laboratorio con gas hmedo, sugiere que una perturbacin en el patrn de flujo ocasionada por un componente de la tubera se disipa rpida-mente a travs de unos pocos dimetros de tubera aguas abajo de la perturbacin.

Tabla 2. Patrones de flujo vertical ascendente

Patrn de flujo(Representacin grfica) Caractersticas

Flujo slug

Este patrn de flujo se ge-nera cuando se presenta el bloqueo interno de un siste-ma de tuberas por acu-mulacin de lquidos en un punto bajo, la presin del gas que se acumula aguas arriba del taponamiento eventualmente ocasiona que una parte del lquido sea empujado hacia arriba con la corriente de gas.

Flujo churnSe presenta en flujos bifsicos con parmetros Lockhart-Martinelli relativa-mente altos y con caudales de gas moderadamente bajos. Este patrn de flujo es inestable por naturale-za debido a que la fuerza gravitacional (constante) est siendo contrarrestada por las fuerzas dinmicas del gas que varan conti-nuamente. A lo anterior se suma el continuo cambio en la distribucin espacial de la masa de lquido y la velocidad relativa