redes domiciliarias de gas natural
TRANSCRIPT
REDES DE GAS DOCIMILIARIO
Presentado por:
JADER DAVID UPARELA ABAD
JOANNA LILIANA GUIO PUERTO
WILDHER FABIAN SARMIENTO GARCÍA
Presentado a:
Ing. HELENA MARGARITA RIBÓN
Docente
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS
BUCARAMANGA, 16 DE ABRIL DE 2012
2
TABLA DE CONTENIDO
Pag.
Introducción 6
1. Qué es el gas natural 7
1.1 Generalidades del gas natural 7
1.2 Usos y beneficios del gas natural 8
1.2.1 Usos 8
1.2.2 Beneficios 9
1.3 Seguridad en el uso del gas natural 9
1.4 Recomendaciones de uso 10
1.5 Procesos del gas natural 12
2. Gas natural en Colombia 14
2.1 Historia 14
2.2 Infraestructura 15
2.3 Cifras 18
2.4 Como se cobra el gas natural Domiciliario en Colombia 22
2.5 Normatividad sector del gas en Colombia 23
2.6 Certificación de calidad 25
3. Criterios para diseño y construcción de redes urbanas GND 27
3.1 Conocimiento general del municipio 27
3.1.1 Fuentes de suministro del gas natural 27
3.1.2 Población 27
3.1.3 Organización municipal y planeación urbana 28
3.1.4 Aspectos legales y normativos 28
3.2 Planeación y organización del proyecto 29
3.2.1 Planeación estratégica 29
3.2.2 Planes quinquenales de desarrollo 29
3.3 Dimensionamiento de las redes y de los equipos auxiliares 29
3.3.1 Sistemas de recibo de gas 30
3.3.2 Sistema de recibo de gas “Consiste “ 30
3
3.3.3 Sistema de protección y control de red 30
3.3.3.1 Protección catódica 30
3.3.3.2 Revestimientos de protección pasiva 31
3.3.3.3 Elementos para la prevención y control de problemas operacionales 31
3.4 Construcción 31
3.5Operación y mantenimiento 32
4. Dimensionamiento de redes domiciliarias de gas natural 33
4.1 Redes de distribución de gas natural 33
4.2 Factores para el diseño de redes domiciliarias de gas 33
4.2.1 Factor de demanda 33
4.2.2 Factor de carga 35
4.2.3 Factor de coincidencia y diversidad 35
4.2.4 Factor de coincidencia o simultaneidad 35
4.2.5 Factor de diversidad 36
4.2.6 Carga de diseño para usuarios individuales 36
4.2.7 Carga de diseño basada en carga conectada 36
4.3 Velocidad de gas 37
4.4 Trazado de redes 37
4.4.1 Ubicación de válvulas 37
4.4.2 Presiones de operación 38
4.5 Espesor de la pared de las tuberías 38
5. Diseño de la red 40
5.1 Parámetros e información complementaria para el diseño 40
5.1.1 Poder calorífico del gas 40
5.1.2 Gravedad especifica del gas 40
5.1.3 Presión de diseño de la red interna 40
5.1.4 Caída de presión admisible en la tubería 40
5.1.5 Esquema de la red en tres dimensiones 40
5.1.6 Longitud real de un tramo de tubería 41
5.1.7 Longitud equivalente por accesorios 41
5.2 Formula a utilizar en el dimensionamiento de la re 42
4
5.3 Descripción del procedimiento de cálculo para una instalación interna 44
5.4 Diámetro de diseño 45
5.5 Centro de medición 46
5.5.1 Medidores de volumen 46
5.5.2 Reguladores de presión 47
5.5.3 Válvula de corte 47
5.5.4 Unión universal 48
5.5.5 Elevador (transitoma) 48
5.6 Especificaciones técnicas de materiales y accesorios 48
utilizados en las redes internas
5.6.1 Tuberías 48
5.6.1.1 Tuberías de polietileno 49
5.6.1.2 Tuberías de acero al carbón 49
5.6.1.3 Tubería de Cobre 49
5.6.1. Tubería de aleaciones de aluminio 49
5.6.1.5 Tubería corrugada de acero inoxidable (CSST) 49
5.6.2 Válvulas esféricas 50
5.6.3 Accesorios 50
5.6.4 Sellantes anaeróbicos 50
6. Ecuaciones de flujo 51
6.1 Ecuaciones fundamentales de flujo 52
6.1.1 Ecuación de Weymouth 53
6.1.2 Ecuación aplicada al tramo 55
6.1.2.1 Distribución de presión de tuberías enlazadas 55
6.1.2.2 Calculo de la capacidad de un sistema de dos tuberías en serie 56
6.1.3 Longitud equivalente en tuberías 58
6.1.4 Longitud de un lazo 58
6.1.5 Corrección por comprensibilidad (Z) 62
6.2 Calculo de la presión promedio en tuberías 63
6.3 Calculo de redes de gas 63
6.3.1 Leyes aplicada a los nodos (ley de kirchoff) 64
5
6.3.2 Método de Hardy Cross 64
6.3.3 Método modificado de Hardy Cross 66
6.3.4 Método de Renouard 67
6.3.5 Método de demallaje simplificado 67
6.3.6 Método de demallaje simplificado aplicado a varias fuentes y 67
múltiples salidas
6.3.7 Soluciones de redes por ensayo y error 68
6.4 Ejemplo de cálculo según Hardy Cross 69
7. Conclusiones 74
8 Bibliografía 75
6
INTRODUCCIÓN
En los últimos años, el gas natural se ha posicionado como gran combustible
energético debido a la practicidad en su uso, la seguridad que proporciona al
consumidor, la menor contaminación que genera con respecto a otros
combustibles fósiles y la economía en sus precios.
Dado sus múltiples aplicaciones y sus propiedades citadas, es el combustible
elegido para cubrir mayoritariamente la demanda energética en los hogares de las
personas en la vida rutinaria. Además, los planes de masificación que desde los
gobiernos se han implementado para cumplir tal fin, han tenido un éxito
considerable reflejándose en las estadísticas de usuarios conectados al sistema y
su posterior demanda.
Este trabajo pretende mostrar la cadena del gas natural domiciliario, que va desde
la entrega en la transferencia de custodia que hacen las empresas productoras,
hasta el uso final en los gasodomésticos de los hogares, detallando todo el
proceso que hace posible el consumo final y que incluye los criterios a tener en
cuenta para la instalación y puesta en marcha así como el dimensionamiento
técnico requerido para la construcción de las redes domiciliarias de gas natural,
resaltando que la seguridad es el factor más importante para llevar a cabo esta
labor.
A manera de información, se presenta también al consultor estadísticas y cifras de
gran interés sobre el gas natural así como el marco legal que rige esta actividad
en Colombia.
7
1. QUÉ ES EL GAS NATURAL?
El gas natural es una mezcla combustible rica en gases de gran poder calorífico,
formado en las entrañas de la tierra en el curso de un proceso evolutivo de
centenares de miles de años. El principal componente de la mezcla que conforma
el gas natural es un hidrocarburo llamado metano. Los demás componentes, en
pequeñas cantidades, son otros gases como el etano, dióxido de carbono (CO2) y
vapor de agua, principalmente. El gas natural se consume tal y como se encuentra
en la naturaleza, de ahí su nombre, y llega directamente a los hogares, comercios
e industrias por tuberías de manera subterránea. Esto permite que se pueda
disfrutar el servicio de manera práctica y segura, las 24 horas, todos los días del
año.
Se puede medir en unidades de volumen (metros cúbicos m3 ó pies cúbicos ft3) o
de energía (kilovatio hora kWh o unidades caloríficas BTU).
La siguiente tabla muestra la composición media típica del gas natural colombiano:
Tabla 1. Tomado de Gas Natural Fenosa
1.1 GENERALIDADES DEL GAS NATURAL 1
• Es un combustible que se distribuye por medio de tuberías localizadas bajo
tierra, que llegan hasta su casa.
1 Tomado de Gas Natural Fenosa en su página web.
8
• El gas natural se utiliza para el consumo doméstico, como combustible
industrial y de automotores.
• Su llama es azul nítida, porque tiene poco contenido de CO2 (bióxido de
carbono)
• El gas natural no tiene olor, sin embargo, se le adiciona una sustancia
característica, que resulta de la combinación (50% y 50%) de THT y TBM,
con el fin de que usted pueda reconocerlo y tomar las medidas preventivas
en caso de sentir olor a gas en la vivienda.
• Al ser su peso menor que el del aire, el gas natural tiende a localizarse en
las partes altas, facilitando su salida hacia la atmósfera por las rejillas y
ventanas.
• La utilización de este gas en los hogares, no representa riesgos ni requiere
de destrezas especiales para su manipulación, siempre y cuando se tengan
en cuenta los cuidados básicos.
1.2 USOS Y BENEFICIOS DEL GAS NATURAL
1.2.1 USOS
• Doméstico: Se emplea principalmente para la cocina, calefacción de agua
y calefacción ambiental. También se emplea para el funcionamiento de
lavadoras y secadoras de ropa, neveras y equipos calefactores de
ambiente.
• Comercial: Se entiende como aplicación comercial el consumo citado para
uso doméstico pero referido a colectividades: Hospitales, colegios, hoteles,
restaurantes, etc. También porque se suministra a edificaciones
comerciales: panaderías, lavanderías, etc.
• Industrial: El empleo del gas en la industria se debe especialmente a su
capacidad de regulación, ausencia de cenizas y de azufre, facilidad de
control de la atmósfera de los hornos en determinados tratamientos, etc.
9
Imprescindible en la industria del vidrio, cerámica, porcelana, textil, papel e
industria química.
• Vehículos: El gas natural utilizado en vehículos tiene las siguientes
ventajas:
� Se reduce en un 50% el costo respecto a la gasolina.
� Disminución de la periodicidad de los cambios de aceite, bujías y
prolongación de la vida útil del motor.
� Disminución del 80% en la emisión de gases tóxicos y 0% (cero)
partículas sólidas.
� Disminución del 50% en los niveles de ruido.
1.2.2 BENEFICIOS
• Facilidad: No requiere del tratamiento posterior de residuos ya que no los
genera.
• Seguridad: Por las características técnicas de la red de distribución, brinda
la máxima seguridad a los clientes.
• Eficiencia: la eficiencia térmica del gas natural es muy elevada, a
diferencia de la electricidad, el carbón y la leña, el encendido es inmediato
lo que se traduce en mayor rapidez.
• Comodidad: Se recibe directamente en los domicilios. Solo se paga el
consumo real.
• Limpieza: Debido a su composición su combustión no produce residuos
que causen contaminación.
1.3 SEGURIDAD EN EL USO DEL GAS NATURAL
• Un gas puede ser inflamable. Cuando un gas puede arder en
concentraciones normales de oxígeno en el aire se considera inflamable. Los
gases inflamables necesitan de dos (2) condiciones para sostener su
10
combustión: estar a temperaturas y concentraciones definidas. Para el gas
natural los límites en los que la mezcla aire-gas puede hacer ignición son 5%-
15% en volumen. (Límites de Inflamabilidad).
Los gases combustibles pueden generar riesgos si no se utilizan de manera
adecuada, produciendo riesgo toxicológico, de asfixia o de incendio.
• Riesgo Toxicológico (Asociado a los productos de co mbustión). Se
define "riesgo toxicológico" al contacto con agentes químicos o físicos que
interaccionan con el organismo produciendo una respuesta negativa. El gas
natural no es un elemento tóxico, pero dentro de los productos de su
combustión se encuentra el monóxido de carbono, que si lo es. El monóxido
de carbono está presente en toda combustión real en cantidades ínfimas, pero
cuando las condiciones de ventilación y/o aire de reacción, así como el estado
del gasodoméstico son las adecuadas no hay riesgo para el organismo,
puesto que las pequeñas cantidades presentes, se diluyen perfectamente en
la atmosfera sin generar efectos nocivos.
• Efectos del Monóxido de Carbono. Este gas, producto de la combustión de
cualquier sustancia combustible, es tóxico para los organismos de sangre
caliente, ya que tiene una afinidad 200 veces mayor con la sangre que el
oxígeno. El CO se mezcla con la sangre formando un compuesto llamado
"Carboxihemoglobina", con lo cual la sangre no puede transportar oxígeno.
Este gas no tiene un efecto acumulativo y puede separarse de la sangre si se
lleva a la persona afectada a un lugar con bastante aire libre. Si la exposición
es prolongada, se debe solicitar ayuda médica.
1.4 RECOMENDACIONES DE USO
• Mantenga los artefactos a gas en buen estado y con suficiente ventilación en
el recinto donde se encuentran para garantizar su correcto funcionamiento.
11
• No permita que los menores de edad accionen o jueguen con los artefactos a
gas y sus válvulas.
• Verifique frecuentemente y antes de acostarse, que todos los artefactos a gas
estén apagados y que las válvulas de paso estén cerradas, para evitar
escapes de gas natural.
• Si detecta olor a gas natural o escapes, cierre las válvulas del centro de
medición y artefactos a gas; no accione aparatos eléctricos ni interruptores;
abra las ventanas y puertas dando ventilación suficiente al lugar y
comuníquese con nosotros.
• En caso de remodelar su vivienda, solicite a la distribuidora del servicio de gas
natural la suspensión del servicio para evitar fugas de gas natural o posibles
accidentes.
• Cuando efectúe el retiro de cualquier artefacto a gas para futuras conexiones
o por otra causa, verifique que los puntos de salida del gas natural estén
debidamente taponados y permanezcan visibles.
• No deje quemadores prendidos cuando no los esté utilizando.
• Si el horno no está en uso, verifique periódicamente que la válvula esté
cerrada.
• Evite que se derramen líquidos sobre los quemadores, pues al apagarse la
llama se escapa el gas natural.
• Nunca use su horno o estufa para calentar su casa. Existen en el mercado
calentadores de ambiente y chimeneas a gas natural, fáciles de instalar y muy
seguras.
• No coloque sustancias, combustibles (papeles, telas, pinturas, alcohol, etc.)
cerca de los artefactos a gas o centros de medición.
• Atienda y acate las recomendaciones de seguridad da das por la
distribuidora del servicio de gas natural.
12
1.5 PROCESO DEL GAS NATURAL 2
El proceso del gas natural está conformado básicamente por cuatro etapas:
• Producción. Es la obtención del gas natural extraído de los yacimientos. Se
puede encontrar de dos formas: combinado con petróleo, como en los campos
de Cusiana (gas asociado) y solo gas, como en los campos de La Guajira (gas
libre). En Colombia, las empresas que se encargan de este proceso son
Chevron, Pacific Rubiales Energy, Equion, Ecopetrol, entre otras.
• Transporte. Es la conducción del gas natural a través de tuberías de acero y
a alta presión, desde los campos de generación hasta la entrada de las
ciudades (puerta de ciudad) y grandes consumidores como las
termoeléctricas. Al conjunto de tuberías por donde se transporta este
combustible se le denomina “Sistema Nacional de Transporte”. En Colombia,
las empresas que se encargan de este proceso son TGI, Promigas, Progasur,
Transoriente, entre otras.
• Distribución. Es la conducción del gas natural a través de tuberías de baja
presión, en su mayoría de polietileno, desde la puerta de ciudad hasta el 2 Tomado de la CREG.
Producción
Transporte
Distribución
Comercialización
13
usuario final (residencias, oficinas, colegios, hospitales, hoteles, entre otros).
En Colombia, las empresas que se encargan de este proceso son Alcanos de
Colombia, Gas Natural S.A., Gazel, Surtigas, entre otras.
• Comercialización. Es la actividad de comprar grandes cantidades de gas
natural a los productores para venderla a los usuarios o a otras empresas del
sector. Así mismo contempla las actividades relacionadas con la medición del
consumo a través de los contadores, la facturación del servicio, y en general,
las involucradas con la atención de los usuarios (atención de consultas,
reclamos). En Santander, las empresas que se encargan de este proceso son
Gasoriente, Metrogas, entre otras.
14
2. GAS NATURAL EN COLOMBIA
2.1 HISTORIA3
En Colombia el desarrollo de la industria del gas natural es reciente. Aunque
desde la década del 50 se realizaron algunos usos esporádicos y aislados de este
combustible fue a mediados de los años 70’s cuando comenzó su verdadero
desarrollo gracias al gas descubierto en la Guajira y que entró en funcionamiento
en 1977.
Luego de un largo período de bajo crecimiento, en 1986 se inició el programa
“Gas para el cambio” que permitió ampliar el consumo de gas en las ciudades,
realizar la interconexión nacional y tener nuevos hallazgos.
En 1993 el Gobierno Nacional decidió que ECOPETROL liderara la interconexión
nacional, para lo cual dos años después comenzaron las conexiones entre los
principales yacimientos y centros de consumo, mediante la construcción de más
de 2.000 km de gasoductos que pasaron por el departamento de la Guajira, el
centro y suroccidente del país y los Llanos orientales.
Con el fin de facilitar el acceso del gas natural a los estratos socioeconómicos más
necesitados, en 1997 se creó el Fondo de Solidaridad y Redistribución de
Ingresos .
Ese mismo año se separó la actividad de transporte de gas de ECOPETROL y se
conformó la Empresa Colombiana de Gas – ECOGAS, que posteriormente se
transformó en la Transportadora de Gas del Interior (TGI S.A. E.S.P.) cuando la
Empresa de Energía de Bogotá (EEB) compró su mayoría accionaria en 2006.
Entre 1997 y1998 se otorgaron concesiones de áreas de distribución exclusiva de
gas para extender la cobertura del servicio en los Departamentos de Quindío,
Caldas, Risaralda, Valle y Tolima.
El Gobierno Nacional interesado en promover el desarrollo de este energético en
todo el país y de masificar su uso, estableció en el 2003 las “Estrategias para la
3 Tomado de la CREG.
15
dinamización y consolidación del gas natural en Col ombia” , donde se
formularon algunas estrategias y recomendaciones para lograr este objetivo.
Un año después se hizo lo mismo para masificar el Gas Natural Vehicular y se
ordenó ofrecer condiciones económicas especiales (especialmente descuentos y
bonos) para beneficiar a quienes utilicen este combustible.
En el 2007 Ecopetrol, PDVSA (petrolera venezolana) y Chevron suscribieron un
contrato mediante el cual determinaron las condiciones para compra y venta de
gas natural entre Colombia y Venezuela durante los próximos 20 años.
2.2 INFRAESTRUCTURA4
El país cuenta actualmente con unos doce campos principales de producción de
gas, localizados en cuatro regiones: Costa Atlántica, Santander, Llanos Orientales
y en el Huila-Tolima.
Al finalizar el 2003 las reservas remanentes de gas en el país eran de 4.024 GPC.
La producción total del país para ventas de gas natural durante el 2003 fue de
594.1 Giga BTU por día en promedio. En el 2004 a mayo la producción total del
país asciende a 604.1 Giga BTU por día resultado de una mayor demanda del
sector térmico e industrial.
• Sistema nacional de transporte . Se entiende como Sistema Nacional de
Transporte, el conjunto de gasoductos localizados en el territorio nacional,
excluyendo conexiones y gasoductos dedicados, que vinculan los centros de
producción de gas del país con las Puertas de Ciudad, Sistemas de Distribución,
Usuarios No Regulados, Interconexiones Internacionales o Sistemas de
Almacenamiento.
En el ámbito nacional, ha sido importante el esfuerzo realizado por el Estado, a
través de Ecopetrol, en la construcción de la red básica de gasoductos para
conectar los centros de producción a los de demanda.
4 Tomado de ECOPETROL S.A. en su página web.
16
La participación del sector privado aportó los recursos financieros y tecnológicos
para el desarrollo de las principales troncales de gasoductos que cada día hacen
realidad el Programa de Masificación del Gas Natural.
En 1993, la disposición de la red nacional de gasoductos contaba con 584
kilómetros de propiedad de Ecopetrol ubicados en su mayoría al interior del país, y
1727 kilómetros de gasoductos privados, principalmente en la Costa Atlántica y los
Santanderes.
Esta estructura hacía del gas un recurso aprovechable únicamente a escala
regional y es por ello que precisamente en la Costa Atlántica, Santander, Huila y
parte del sur de Bogotá se desarrollo una cultura alrededor del gas natural, la cual
ha servido para estructurar gran parte de su desarrollo en el ámbito nacional.
El esfuerzo de masificación se tradujo en la construcción de 2788 kilómetros
nuevos de infraestructura básica, desarrolladas entre 1995 y 1997. El reto era
inmenso al igual que las inversiones requeridas. En efecto, Ecopetrol debió invertir
en forma directa 277 millones de dólares (de 1996) y el sector privado, con el
respaldo de la Empresa Estatal, 644 millones de dólares para un total de
inversiones de 921 millones de dólares.
El reto continúa, puesto que en los próximos 20 años, la infraestructura para
atender la demanda prevista de gas costara alrededor de 1200 millones de
dólares.
En conjunto, y sin contabilizar las inversiones en exploración y producción, las
inversiones requeridas por el Programa de Masificación del gas natural ascienden
a los 4350 millones de dólares, cifra considerable para adecuar un sector de
servicios con una recuperación de capital a tasas de inversión social.
La Red Nacional de Transporte de gas natural, está compuesto por los siguientes
sistemas:
• De la Costa Atlántica : Conformado por el sistema troncal que vincula la
conexión de los campos de gas natural de La Guajira, Córdoba y Sucre, con
las puertas de ciudad localizadas en Riohacha, Santa Marta, Barranquilla,
Cartagena, Sincelejo y Monteria, incluyendo las conexiones de otros campos
menores y los subsistemas que se conecten a esta troncal.
17
• Del Centro : Es la troncal que hace la conexión de los campos de gas natural
de La Guajira con la puerta de ciudad de Barrancabermeja (Santander) y los
subsistemas y ramales que se conecten a esta troncal.
• Del Interior: Está compuesto por el sistema troncal que vincula la conexión de
los campos de gas natural de Casanare, Meta, Tolima, Huila, Santander, y
otros existentes en el interior del país, con las ciudades de Villavicencio,
Neiva, Medellín, Bucaramanga, Cali y Bogotá, entre otras.
Gráfico 1. Tomado de Ecopetrol. Presentación “Rompi endo Paradigmas” Congreso
Naturgas 2012
18
2.3 CIFRAS5
• Distribución consumo de energía primaria en Colombi a 2010.
Gráfico 1. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
• Oferta de gas natural por campos 2011.
Gráfico 2. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
5 Tomadas de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
19
• Evolución de la demanda de gas natural en Colombia en 2011.
Gráfico 3. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
• Distribución demanda de gas natural por sectores de consumo.
Gráfico 4. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
20
• Distribución del mercado de gas natural en Colombia por sectores de
consumo teniendo en cuenta las exportaciones. Año 2 011.
Exportaciones
Sector GBTU/D Sin Con
Industrial 255,28 31 % 25 %
Térmico 217,25 26 % 21 %
Doméstico 166,75 20 % 16 %
Refinerías 108,17 13 % 10 %
GNV 72,10 9 % 7 %
Petroquímico 12,26 1 % 1 %
Sub Total 831,81 100 % 80 %
Exportaciones 204,63 20 %
TOTAL 1036,44
100 %
Tabla 2. Fuente: Naturgas. “Indicadores 2012”.
• Usuarios conectados al sistema de gas natural a 201 1.
Gráfico 5. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
21
• Consumo del sector domiciliario a 2011.
Gráfico 6. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
• Evolución del número de poblaciones servidas con ga s natural 2005-
2011.
Gráfico 7. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
22
• Distribución de usuarios residenciales de gas natur al según estrato
socio-económico.
Gráfico 8. Tomado de Naturgas. Cartilla “Indicadores 2012”.
2.4 CÓMO SE COBRA EL GAS NATURAL DOMICILIARIO EN CO LOMBIA
TARIFA VALOR
Estratos 1 y 2 CU – Subsidio
Estrato 3 CU
Estrato 4 y Oficial CU
Estrato 5, 6, i CU + Contribución
Tabla 2. Tomado de la CREG.
23
2.5 NORMATIVIDAD SECTOR GAS EN COLOMBIA 6
Gráfico 9. Tomado de ECOPETROL
• Constitución Política de Colombia. El Capítulo 5 de la Constitución Política
de Colombia de 1991 hace referencia sobre la finalidad social del Estado y de
los Servicios Públicos. El Artículo 365 plantea que "Los servicios públicos son
inherentes a la finalidad social del Estado. Es deber del Estado asegurar su
prestación eficiente a todos los habitantes del territorio nacional".
• Congreso de la República. Por disposición del Artículo 150 de la Constitución
Política de Colombia, en el numeral 23 se expresa que al Congreso de la
República le corresponde "Expedir las leyes que regirán el ejercicio de las
funciones públicas y la prestación de los servicios públicos".
• Ministerio de Hacienda y Crédito Público. Su objetivo general es "Definir,
formular y ejecutar la política económica del país, los planes generales,
programas y proyectos relacionados con esta, así como la preparación de las
6 Tomado de ECOPETROL S.A. en su página web.
24
leyes, y decretos y la regulación, en materia fiscal, tributaria, aduanera, de
crédito público, presupuestal, de tesorería, cooperativa, financiera, cambiaria,
monetaria y crediticia, sin perjuicio de las atribuciones conferidas a la Junta
Directiva del Banco de la República y las que ejerza a través de organismos
adscritos o vinculados para el ejercicio de las actividades que correspondan a la
intervención del estado en las actividades financieras, bursátil, aseguradora y
cualquiera otra relacionada con el manejo, aprovechamiento e inversión de los
recursos del ahorro público y el tesoro nacional de conformidad con la
Constitución Política y la Ley". De esta manera direccionan e influencia las
regulaciones del sector gas.
• Departamento Nacional de Planeación. Es el organismo en Colombia que
diseña y controla las políticas de desarrollo económico, social y ambiental del
país, en coordinación con los ministerios y los entes territoriales.
• Ministerio de Minas y Energía (MME). Es una entidad pública de carácter
nacional del nivel superior ejecutivo central, cuya responsabilidad es la de
administrar los recursos naturales no renovables del país asegurando su mejor
y mayor utilización; la orientación en el uso y regulación de los mismos,
garantizando su abastecimiento y velando por la protección de los recursos
naturales del medio ambiente con el fin de garantizar su conservación y
restauración y el desarrollo sostenible, de conformidad con los criterios de
evaluación, seguimiento y manejo ambiental señalados por la autoridad
ambiental competente.
• Unidad de Planeación Minero Energética (UPME). Se encarga de "realizar la
Planeación del desarrollo sostenible de los sectores de Minas y Energía de
Colombia, para la formulación de las políticas de Estado y la toma de
decisiones en beneficio del País, mediante el procesamiento y el análisis de
información". En el sector del gas natural realiza planeación indicativa,
adicionalmente elabora el Plan Energético Nacional y los planes sub
sectoriales.
• Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG). Es el organismo
encargado de regular los servicios públicos domiciliarios de energía eléctrica y
25
gas combustible de manera técnica, independiente y transparente, promoviendo
el desarrollo sostenido de estos sectores, regulando los monopolios,
incentivando la competencia donde sea posible y atendiendo oportunamente las
necesidades de los usuarios y las empresas de acuerdo con los criterios
establecidos en la Ley.
• Consejo Nacional de Operación de Gas Natural (CNO-G AS). "Es un
organismo asesor de la Comisión de Regulación de Energía y Gas, CREG,
creado por la Ley 401 de 1997 y reglamentado por los Decretos 2225 de 2000 y
2282 de 2001 y tiene, entre otras funciones, la de buscar que la operación
integrada del Sistema Nacional de Transporte de Gas Natural sea segura,
confiable y económica".
• Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliario s. Se encarga
principalmente de velar por los intereses de los consumidores residenciales
para controlar la prestación del servicio. Controla, vigila y fiscaliza las empresas
del sector domiciliario, y tiene facultades para sancionar o intervenir cuando las
empresas incumplan de manera reiterada las normas establecidas.
2.6 CERTIFICACIÓN DE CALIDAD.
Para garantizar la seguridad y calidad de las instalaciones de gas natural
domiciliario, se deben cumplir los requerimientos que ciertas instituciones
reguladoras han dictado en base a la fabricación, diseño y tipo de materiales que
los diferentes elementos de una red gasífera deben tener en su construcción. Las
más importantes son:
• ANSI (American National Standard Institute)
• API (American Petroleum Insitute)
• ASME (American Society of Mechanical Engineers
• ASTM (American Society for Testinf and Materials
• AWS (American Welding Society)
• FML (Factory Mutual laboratorios)
26
• IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers
• ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación)
• MSS (Manufacter’s Standarization Society of the Valves an Fittings Industry
• NEC (National Electric Code)
• SIC (Superintendencia de Industria y Comercio)
Además, el gas natural que se recibe en los centros de distribución debe cumplir
con las normas que el “Reglamento Único de Transporte” de la CREG impone,
para garantizar la calidad del mismo. Entre los parámetros básicos están:
Máximo Poder Calorífico (GHV) 1150 BTU/ft 3
Mínimo Poder Calorífico (GHV) 950 BTU/ft 3
Contenido Líquido Libre de líquidos
Contenido total de H 2S Máximo 4 ppm
Contenido total de azufre Máximo 1 grano/100PCS
Máximo Contenido CO 2 2%
Máximo Contenido N 2 3 %
Máximo Contenido de O 5%
Contenido de agua máximo 6 Lb/MPCS
Temperatura de entrega máxima 120° F
Temperatura de entrega mínima 45° F
Tabla 3. Parámetros de calidad de entrega del gas RUT. Fuente: CREG.
27
3. CRITERIOS PARA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE REDES
URBANAS DE GND 7
El diseño y construcción de redes urbanas de gas natural domiciliario es seguido
por etapas y debe tener aspectos importantes a evaluar como son los siguientes:
• Conocimiento general del municipio o del área metropolitana.
• Planeamiento y organización del proyecto.
• Dimensionamiento de las redes y de los equipos auxiliares.
• Construcción.
• Operación y mantenimiento.
3.1 CONOCIMIENTO GENERAL DEL MUNICIPIO
El conocimiento general del municipio es un punto clave para reconocer las
necesidades del mismo, la posible demanda a suplir y las especificaciones
técnicas, socio-económicas y facilidades para llevar el gas naturales a todos sus
residentes. Los factores a tener en cuenta son:
3.1.1 Fuentes de suministro de gas natural. Es fundamental definir el(los)
sitio(s) de entrada del gas a la ciudad, los volúmenes de suministro y la
disponibilidad del recurso en el tiempo. Esta información permite definir el alcance
del proyecto, localizar las estaciones de recibo y regulación del gas y establecer el
trazado de la red matriz.
3.1.2 Población. Un adecuado estudio de la población permitirá el correcto
dimensionamiento de las redes, definir prioridades para iniciar el servicio,
establecer programas futuros de cubrimiento y cuantificar las demandas “pico”.
El estudio de la población debe considerar:
7 Tomado de “Redes Urbanas de Gas Natural Domiciliario”. Ing. Alvaro H. Reyes
28
• Estadísticas de los censos.
• Índices de migración.
• Escenarios de crecimiento.
• Áreas urbanas e industriales.
• Estratificación socio-económica.
• Densidad poblacional por área geográfica y por estrato.
• Expectativas de expansión del perímetro urbano.
• Hábitos de consumo energético.
3.1.3 Organización municipal y planeación urbana. Se debe mantener un
contacto directo con los principales organismos municipales, para que las
diferentes fases de desarrollo del proyecto considere las obras del municipio
(nuevas vías, puentes, otros servicios, etc).
3.1.4 Aspectos legales y normativos . Se deben recopilar todos los decretos,
resoluciones, acuerdos y normas que regulen la materia de la distribución urbana
del gas natural a todo nivel: Nacional e Internacional (Para aquellos casos donde
no existan normas técnicas nacionales).
Esto garantizará el desarrollo del proyecto dentro del marco legal y permitirá la
proyección de tarifas de conexión y consumo de gas natural, lo cual es básico
para realizar los correspondientes estudios económicos.
Se debe prestar atención especial al estricto cumplimiento de las normas técnicas
para garantizar la seguridad de las personas.
Las normas técnicas relacionadas con la distribución urbana de gas, así como
para la construcción e instalación de los gasodomésticos, se van a elevar a la
categoría de normas de carácter obligatorio.
29
3.2 PLANEAMIENTO Y ORGANIZACIÓN DEL PROYECTO.
Esta etapa define el alcance del proyecto y establece los recursos humanos y
financieros para el desarrollo coordinado del plan de suministro domiciliario. Sus
principales actividades son:
3.2.1 Planeación Estratégica. Con base en el análisis externo y de la posición
interna de la empresa se definen los objetivos, las estrategias que hay que adoptar
y los recursos necesarios.
Debe cubrir un periodo máximo de cinco (5) años, considerando:
• Obtención de los recursos financieros más convenientes.
• Lograr el apoyo gubernamental.
• Mantener competitivo el precio del gas natural respecto a los combustibles
sustitutos.
• Abastecer con gas natural a todos los sectores residenciales, garantizando
la máxima seguridad.
3.2.2 Planes Quinquenales de Desarrollo . Consiste en plasmar la planeación
estratégica en objetivos de carácter operativo-económico-financieros, distribuidos
por años y detallando aquellos aspectos que permitan chequeos periódicos y
futuras reprogramaciones.
3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LAS REDES Y DE LOS EQUIPOS AUXILIARES.
El diseño consiste en dimensionar cada uno de los componentes básicos de los
sistemas de recibo de gas, el sistema de distribución de gas y los sistemas de
protección y control.
30
3.3.1 Sistemas de recibo de gas . Cada fuente de los suministros de gas dispone
de los equipos de regulación, medición y odorización del gas. También se
consideran las “trampas” para el recibo de “raspadores”.
3.3.2 Sistemas de distribución de gas. Consiste de:
• Red Matriz o Troncal Urbana de acero . Su presión de trabajo se mantiene
entre 200 y 300 psig .
• Las subestaciones de regulación que alimentan a las troncales de
polietileno. Bajan la presión desde 200-300 psig a 60 psig .
• Las redes troncales de polietileno . Se disponen en forma de “mallas” que
cubren un área relativamente grande permitiendo el abastecimiento de
hasta 20.000 usuarios. La presión debe estar entre 30 y 40 psig .
• Subtroncales de polietileno . Se derivan de las redes troncales y cubren
por lo general tres “manzanas”, entre 80 y 90 viviendas. La presión no debe
ser inferior a 35 psig .
• Acometidas e instalaciones internas . Incluyen el regulador y el medidor
domiciliario cuya máxima presión de operación es de 0,28 psig .
El procedimiento de diseño de las redes de distribución obedece a cálculos de
prueba y error por el método de Hardy Cross. Puesto que la distribución de las
mallas es subjetivas, se deben plantear varias alternativas de disposición para
escoger la más económica.
3.3.3 Sistemas de protección y control de la red . Estos sistemas garantizan la
seguridad operacional de la red y aseguran su protección. Estos son:
3.3.3.1 Protección Catódica. Los equipos se escogen y se ubican de acuerdo
con un cuidadoso estudio de la red de acero.
31
3.3.3.2 Revestimientos de protección pasiva (de base asfáltica o cintas de
materias sintético) y aislamiento eléctrico de las tuberías de acero, por medio de
juntas de material fenólico instaladas entre las bridas.
3.3.3.3 Elementos para la prevención y control de p roblemas operacionales:
• Filtros
• Odorizadores
• Válvulas de cierre automático
• Válvulas de seccionamiento (bloqueo) de cierre rápido
• Monitoreo telemétrico de las estaciones y subestaciones de regulación,
mediante computador y telecontrol.
3.4 CONSTRUCCIÓN
En esta etapa se deben considerar los siguientes aspectos:
• Como en cualquier diseño de ingeniería, la instalación de redes urbanas
debe realizarse en terrenos completamente estables, no sujetos a
deslizamientos, caídas de piedra, erosión e inundaciones.
• La tubería de polietileno no debe ser expuesta a la luz solar por periodos
largos (más de 6 meses), puesto que los rayos ultravioletas la cristaliza.
• La máxima presión permisible en el área urbana es:
� Red de Acero: 300 psig.
� Redes de Polietileno: 70 psig.
• Durante la construcción se pueden presentar situaciones de gran
complejidad por la presencia de:
� Redes de otros servicios públicos.
� Puentes
� Canales
� Cruces de vías arterías
32
� Tráfico vehicular
Estos hechos hacen disminuir el rendimiento programado de la
construcción.
• Las tuberías que conduzcan gas natural deben estar enterradas siguiendo
las instrucciones del DOT (Departamento de transporte de Estados Unidos)
y del ICONTEC. Durante el proceso del tapado de la tubería se debe
colocar una cinta de señalización con la señal impresa “PELIGRO RED DE
GAS”.
3.5 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
Para que la operación de la red urbana no ofrezca ninguna complicación se debe
establecer una adecuada administración del mantenimiento basado en:
• Cronograma de mantenimiento preventivo de los elementos claves de la red.
• Mantenimiento correctivo y análisis de las fallas del equipo.
• Establecer las siguientes gestiones:
- Base de datos para cada equipo, con indicadores del mantenimiento
realizado y la persona encargada de efectuarlo.
- Actualización permanente de los archivos técnicos.
- Administración de las compras y de las bodegas de materiales.
En adición a lo anterior se debe capacitar muy bien al personal de manera que
opere y mantenga en óptimas condiciones los equipos de red.
Se debe prestar especial atención a las actividades de emergencia, las cuales
consisten en atender con la mayor celeridad las llamadas recibidas por anomalías
presentadas en la red y realizar todo lo que corresponda hasta la completa
eliminación del peligro potencial.
33
4. DIMENSIONAMIENTO DE REDES DOMICILIARIAS DE GAS N ATURAL 8
4.1 REDES DE DISTRIBUCIÓN DOMICILIARIA
El diseño de redes depende del sistema de distribución, el diseñador, el número
de variables, la capacidad y disponibilidad de tubería, el equipo y el costo, siendo
el más importante el volumen de gas a transportar. En el cálculo de los volúmenes
a distribuir existe incertidumbre, realizar el mejor estimativo a manejar a través de
la vida de la red es la mejor proyección del diseño.
Una vez proyectados los volúmenes de gas , para realizar el diseño de una
nueva red de distribución se debe:
• Determinar la presión de distribución (Inyección) r equerida , según el
destino de la línea de flujo o las necesidades del consumidor. Si la línea es
ramificada, determinar la presión requerida en la unión con la línea principal de
distribución.
• Adicionar a la presión de distribución requerida la s pérdidas de presión
debidas a la fricción para obtener la presión en cada uno de los nodos, que
permita determinar y seleccionar la tubería que pueda ser operada eficientemente
a las condiciones especificadas.
4.2 FACTORES PARA EL DISEÑO DE REDES DOMICILIARIAS DE GAS
Para el diseño de redes domiciliarias de gas hay que tener en cuenta los
siguientes factores:
4.2.1 Factor de demanda. El factor de demanda es idéntico en concepto al factor
de coincidencia, pero la demanda simultánea máxima ó carga de diseño es 8 Tomado de “Redes Domiciliarias de Gas Natural”. CIG
34
comparada con la carga total conectada del grupo, y no con la demanda de
usuarios (clientes) individuales. La carga total conectada es la suma del gas
requerido para todos los gasodoméstico del grupo de viviendas en consideración.
Matemáticamente la relación es:
grupodelconectadatotalCargasimultáneademandaMáxima
demandadeFactor =
Para un grupo de viviendas homogéneo, en donde el número y el tamaño de los
gasodoméstico son virtualmente idénticos de una casa a otra, es bastante fácil
calcular la carga total conectada.
El factor de demanda caracteriza el comportamiento de carga de todo el sistema,
una porción específica, ó de los gasodoméstico. El factor de demanda refleja los
hábitos de un grupo de usuarios, y puede variar apreciablemente de un área a otra
del territorio de la misma compañía.
Los factores de demanda dependen del número de usuarios que van a estar
conectados a la red.
En la siguiente tabla se pueden observar los factores de demanda para una
compañía de distribución en particular.
FACTORES DE DEMANDA Número de usuarios Estufas Calentadores de
agua 1 1 1 5 0,70 0,50
10 0,57 0,43 25 0,40 0,37 50 0,29 0,34 75 0,24 0,34 100 0,20 0,33 200 0,15 0,32 500 0,14 0,31
>1000 0,14 0,30
Tabla 4. Factores de demanda por gasoducto. Fuente: CIG-UIS
35
Se debe tener en cuenta que estos factores pueden variar de una empresa a otra,
depende de sus propias experiencias.
4.2.2 Factor de carga. Cuando se conoce la demanda media en un determinado
período (generalmente un año) y la máxima demanda de un subperíodo, la
relación entre la demanda media del período y la demanda máxima del
subperíodo, asumiendo que ésta fuese constante durante todo el período, se
denomina Factor de Carga.
Cuando el subperíodo considerado es el día del año en el que se obtuvo la
máxima demanda, y se supone que dicha demanda fuese igual todo el año, la
relación entre la demanda del año y de la así calculada define el Factor de Carga
Diario-anual. Si el subperíodo es la hora de máxima carga en todo el año, se
obtiene el Factor de Carga Horario-anual.
Cuando el comportamiento de la carga durante un año es muy similar día a día, el
factor más aconsejable es el Factor de Carga Horario-diario.
Si se conoce que los usos del gas en un sector de un grupo de instalaciones es
muy similar a otro y en el primero de ellos se conoce su Factor de Carga, la
máxima demanda del segundo puede ser determinada utilizando el Factor de
Carga del primero, sin que necesariamente los dos (2) grupos tengan el mismo
número de instalaciones.
4.2.3 Factores de coincidencia y diversidad. Todos los usuarios no tienen el
mismo hábito en la utilización de los artefactos a gas; esto quiere decir que la
demanda que tendrá un grupo de instalaciones en un momento determinado es
siempre menor que la suma de las máximas demandas individuales de cada una
de ellas.
4.2.4 Factor de coincidencia o simultaneidad. Para un grupo de instalaciones
es la relación entre la máxima demanda coincidente (máxima demanda
36
simultánea) del grupo y la suma de las máximas demandas de las instalaciones
individuales.
Para determinar los Factores de Coincidencia experimentalmente es necesario
obtener información sobre la demanda individual de las instalaciones en un
período razonable, con el fin de conocer las demandas máximas individuales de
las instalaciones y la demanda máxima del grupo de instalaciones.
4.2.5 Factor de diversidad. Es el inverso del factor de coincidencia o
simultaneidad.
4.2.6 Carga de diseño para usuarios individuales. La carga de diseño para un
usuario individual es la suma de la carga máxima para todos los gasodoméstico en
uso.
Ejemplos de estas cargas por gasodoméstico son:
GASODOMESTICO CARGA
Calentador de Agua 0.9 m3/h
Estufa 1.6 m3/h
Secadora de Ropa 0.6 m3/h
Aire Acondicionado 3.4 m3/h
Quemador Comercial 56.6 m3/h
Tabla 5. Carga de diseño para usuarios individuales. Fuente: CIG-UIS
A manera de ejemplo, para un hogar un con calentador, una estufa y una
secadora, la carga total conectada sería de 3,1 m3/h.
4.2.7 Carga de diseño basada en carga conectada. la carga de diseño es la
carga conectada (para todos los gasodoméstico) multiplicada por el factor de
demanda. Es expresada así:
37
FCD D*QQ =
Donde:
DQ = Carga de diseño
CQ = Carga Conectada FD = Factor de diseño.
4.3 VELOCIDAD DEL GAS
La velocidad del gas afecta la capacidad del sistema. La velocidad depende de la
presión de la fuente y el volumen de gas expandido. Una velocidad representativa
de los sistemas de media presión (MP) es de 40 a 60 pies/seg.
Las altas velocidades se deben evitar porque:
� Pueden ocasionar ruidos molestos para los usuarios ó residentes.
� Altas velocidades indican que la tubería está operando cerca de su más baja
capacidad , por lo tanto, las caídas de presión serían muy altas.
� Líquidos y mugre son arrastrados por la corriente de gas, lo cual además de
erosionar la tubería pueden afectar la exactitud de los medidores.
4.4 TRAZADO DE REDES
Se debe buscar un trazado de tal forma que cumpla con los requerimientos
técnicos (demanda, normas técnicas) y económicos. Siempre se trata de diseñar
de tal forma que en caso de algún daño en la red, se interrumpa el servicio a un
mínimo de usuarios. Este patrón de trazado además depende de la localización de
la fuente, enmallado y ubicación de válvulas de corte.
4.4.1 Ubicación de válvulas. Las válvulas son instaladas en las líneas principales
a intervalos regulares, de tal forma que algunas secciones del sistema de
38
distribución, o enmallado puedan ser aisladas para permitir la reparación de
cualquier daño en la red.
Las válvulas se ubican de acuerdo a los siguientes criterios:
� Deben aislar máximo seis (6) manzanas en áreas urbanas de alta densidad.
� Deben aislar máximo 500 usuarios en áreas urbanas o de alta densidad
� Deben ubicarse de tal forma que el número de usuarios afectados sea máximo
de 250 en comunidades urbanas que estén lejos del centro de operaciones, lo
cual puede resultar en un tiempo de respuesta muy largo (el tiempo de
respuesta ante cualquier emergencia debe ser menor a 1 hora)
� Las válvulas se instalan cada 1000 metros en las líneas principales.
4.4.2 Presiones de Operación. Las presiones de operación se clasifican de
acuerdo a los siguientes rangos:
Baja Presión LP 0.25 – 0.58 psig
Media Presión MP 5 – 20 psig
Presión Intermedia IP 25 – 60 psig
Alta Presión HP > 100 psig
Tabla 5. Carga de diseño para usuarios individuales. Fuente: CIG-UIS
Las redes de distribución para presiones menores de 60 psig son construidas en
polietileno de media densidad (PE), y las líneas de alta presión en acero.
4.5 ESPESOR DE LA PARED DE LAS TUBERÍAS
Para el cálculo del espesor de la pared de la tubería, se utiliza la ecuación del
código ASME B31.8:
� = � ∗ �2 ∗ � ∗ ∗ ∗ �
39
Donde:
t = Espesor de la tubería
P = Presión de diseño.
D = Diámetro exterior de la tubería.
F = Factor de diseño.
S = Resistencia mínima a la cedencia.
T = Factor de corrección por temperatura.
E = Factor de junta longitudinal.
40
5. DISEÑO DE LA RED INTERNA 9
5.1 PARÁMETROS E INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA PARA EL DISEÑO
La selección de parámetros de diseño es fundamental para el cálculo del diámetro
de la tubería que conduce el gas, entre estos parámetros encontramos:
5.1.1 Poder calorífico del gas. Cantidad de calor generada en la completa
combustión del gas por unidad de masa o de volumen, a una presión constante de
14,7 psig con los constituyentes de la mezcla combustible (gas combustible y aire
de combustión secos y medidos previamente a las “condiciones estándar de
referencia’’) y los productos del combustión remitidos a las mismas “condiciones
estándar referencia’’.
5.1.2 Gravedad específica del gas. La gravedad específica expresa la relación
existente entre el peso por unidad de volumen del gas con respecto al peso de un
volumen igual de aire.
Para los diseños elaborados para “EPM” se utiliza:
� Gas Natural (G.N.): 0,60
� Gas Licuado del Petróleo (G.L.P.): 1,52
5.1.3 Presión de diseño de la red interna. Las establecidas con anterioridad.
5.1.4 Caída de de presión admisible en la tubería. La pérdida de carga o
diferencia de presiones, entre el punto inicial de la red (a continuación del
medidor) y los puntos de conexión de artefactos a gas será tal que, bajo las
máximas condiciones probables de demanda, la presión de suministro en el
artefacto a gas esté dentro del rango estipulado en las Normas Técnicas
9 Tomado de “Guía Diseño de Redes de Gas”. EPM.
41
Colombianas pertinentes. La presión en la tubería estará dentro de los rangos
establecidos en la NTC 3838.
5.1.5 Esquema de la red en tres dimensiones. Es un esquema dibujado sobre
un patrón conformado por líneas diagonales, formando con la horizontal ángulos
de 30º y 120º. La proyección en planta del esquema se traza sobre estas líneas y
conserva verticales las que representan alzadas, de tal manera que se conserven
iguales escalas en las diferentes longitudes.
En este esquema se presentan las tuberías, los diámetros, el material
seleccionado, los accesorios, las válvulas y los elementos de regulación
empleados.
5.1.6 Longitud real de un tramo de tubería. La longitud real de un tramo de
tubería es la cantidad en metros de tubería instalada en dicho tramo. Cuando se
tienen accesorios en el tramo, la longitud considerada para el dimensionamiento
tendrá en cuenta el efecto de los accesorios.
5.1.7 Longitud equivalente por accesorios. Al circular el gas por la tubería se
produce una caída de presión en ella y en los accesorios: válvulas, “T’s”, codos,
etc. Con el fin de facilitar los cálculos, se acostumbra reemplazar los accesorios
por tramos de tubería de igual diámetro y que ocasionen una caída de presión
igual a los accesorios. El parámetro utilizado para hacer esta sustitución es la
relación longitud/diámetro , característica de cada accesorio. Conocido el
diámetro de la tubería con que se trabaja, la longitud equivalente del accesorio se
calcula multiplicando dicho diámetro por la relación longitud/diámetro del
accesorio.
Longitud Equivalente por accesorio = ∅ Tubería x Relación Long/Diámetro
A continuación se presenta un listado de accesorios con su respectiva relación
longitud/diámetro para el cálculo de longitudes equivalentes.
42
ACCESORIO RELACIÓN LONGITUD/DIÁMETRO
Codo a 45° 14 Codo a 90° 30
Te (con f lu jo a 90°) 60 Te a f lu jo 20
Tabla 5. Carga de diseño para usuarios individuales.
Fuente: “Guía Diseño de Redes de Gas”. EPM.
Nota : Se desprecia la caída de presión en reducciones, uniones rectas y válvulas
esféricas de paso directo (sin reducción de sección).
5.2 FÓRMULA A UTILIZAR EN EL DIMENSIONAMIENTO DE LA RED
La relación entre los parámetros que intervienen en el dimensionamiento de una
tubería que transporta un fluido compresible, bajo condiciones isotérmicas y para
tuberías horizontales, se encuentra expresada en la fórmula general, derivada de
la aplicación de la ley de conservación de la energía:
QT
P f
P P
GTLZDb
b
=
−
−7 57 1014
0 5
12
22 0 5
2 5, * * * *(
*, ) ,
,
Q = Flujo, en metros cúbicos por hora a Pb y Tb.
Pb = Presión base absoluta, en bar.
Tb = Temperatura base, en K.
�1f �
�,�= Factor de transmisión, sin dimensiones.
P1 = Presión absoluta de entrada, bar.
P2 = Presión absoluta de salida, bar.
G = Gravedad específica (aire = 1).
T = Temperatura promedia del gas que fluye, en K.
L = Longitud de la tubería, en metros.
43
D = Diámetro interno de la tubería, en milímetros.
Z = Factor de compresibilidad a las condiciones promedias. (Z=1 para presiones
menores de 7 bar.
Para el factor de transmisión, diferentes investigadores han propuesto fórmulas
para calcularlo, algunos en función del número de Reynolds, otros en función del
diámetro de la tubería.
En la parte práctica se utilizan fórmulas más simples, obtenidas como resultado de
largos procesos investigativos experimentales, teniendo en cuenta, entre otros, las
presiones en juego y los tipos de materiales utilizados.
Para el cálculo de las redes internas en el sistema de “EPM”, se aplican las
siguientes fórmulas:
� Para presiones inferiores o iguales a 70 mbar se utiliza la “Fórmula de
Pole”:
Q x Ch D
G L= ∗ ∗
−3 04 10 3
5 0 5
,,
� Para el caso de presiones mayores a 70 mbar, sin superar la Máxima
Presión de Operación Permisible según la NTC-3838, se aplica la fórmula
de Müller:
QG
P P
LD=
−
0130 425
12
22 0 575
2 725.* *
.
..
Donde:
Q = Caudal de gas [m3/h]. (Condiciones estándar de referencia)
G = Gravedad específica del gas.
h = Caída de presión [ mbar ].
L = Longitud total de la red [m]. = Longitud real + Longitud equivalente por
accesorios
44
D = Diámetro de la tubería [mm].
C = Factor en función del diámetro, según la siguiente tabla:
DIÁMETRO NOMINAL [ pulg] FACTOR C 3/8 - ½ 1,65 3/4 – 1 1,80
1 ¼ -1 ½ 1,98 2 2,16 3 2,34 4 2,42
Tabla 6. Factor C en función del diámetro para la ecuación de Pole. Fuente: “Guía Diseño de Redes de Gas”. EPM.
Nota importante : La fórmula de Pole no es válida para la tubería flexible de acero
inoxidable corrugada tipo CSST y por lo tanto, para el dimensionamiento de la red
interna con esta tubería se utilizarán la metodología y tablas aprobadas por la
AGA y la NFPA o las del fabricante y la NTC-4579.
5.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO PARA U NA
INSTALACIÓN INTERNA
En el cálculo de una instalación interna es conveniente seguir un proceso
predefinido que facilite su realización.
A continuación se sugiere el procedimiento siguiente:
� Elaborar el esquema de la red tres dimensiones.
� Tener en cuenta las longitudes reales de los tramos que componen la
instalación.
� Calcular, con base en la potencia de cada artefacto y el poder calorífico
superior del gas utilizado, el flujo en m3/h de cada tramo.
� Asumir los diámetros a utilizar y con éste y los accesorios, calcular las
longitudes equivalentes. Con el caudal de cada tramo y su longitud total se
calcula la caída de presión. Luego se verifica que dicha caída de presión entre
45
el medidor y cada artefacto a gas, esté dentro de límites permitidos.
5.4 DIÁMETROS DE DISEÑO
Para el diseño de las redes internas, una vez seleccionado el material de la
tubería se tendrá en cuenta que los diámetros que se utilizan en las fórmulas son
diámetros internos. A manera de información presentamos en la siguiente tabla
estos diámetros según el material.
TUBERÍA DE COBRE
Diámetro Nominal
PLG
Diámetro Exterior
mm
Diámetro Interior (mm)
Tipo K Tipo L 1/4 9.53 7.75 8.00 3/8 12.70 10.21 10.92 1/2 15.88 13.39 13.84 5/8 19.05 16.56 16.92 3/4 22.23 18.92 19.94 1 28.58 25.27 26.04
1 1/4 34.93 31.62 32.13 1 1/2 41.28 37.62 38.23
2 53.98 49.76 50.42 2 1/2 66.68 61.85 62.61
Tabla 7. Diámetros internos de tubería. Fuente: “Guía Diseño de Redes de Gas”. EPM.
TUBERÍA DE ACERO SCH 40 TUBERÍA DE POLIETILENO Diámetro Nominal
PLG
Diámetro Exterior
mm
Diámetro Interior
mm
Diámetro Nominal
mm
Diámetro Exterior
mm
Diámetro Interior
mm
1/2 21.34 15.80 20 20 15.4 3/4 26.67 20.93 25 25 20.4 1 33.40 26.64 32 32 26.2
1 ¼ 42.16 35.05 63 63 51.4 1 ½ 48.26 40.89 90 90 73.60 2 60.33 52.50 110 110 90.00 Tabla 8. 160 160 130.80 200 200 163.60
Tablas 8 y 9. Diámetros internos de tubería. Fuente: “Guía Diseño de Redes de Gas”. EPM.
46
5.5 CENTRO DE MEDICIÓN
El centro de medición está conformado por los siguientes elementos:
� Medidor volumétrico de gas
� Regulador de presión
� Unión universal
� Válvula de corte
� Demás accesorios necesarios para la conexión de estos elementos a las
correspondientes tuberías.
Las dimensiones del gabinete que alberga el centro de medición se determinarán
de acuerdo con la capacidad y con la cantidad de los medidores propuestos en el
diseño.
5.5.1 Medidores de volumen. Instrumento de medición que registra el volumen
de gas suministrado a un usuario para su consumo interno.
El medidor tendrá marcado en alto o bajorrelieve, en el cuerpo o un lugar visible, la
dirección del flujo. Preferiblemente se instalarán medidores con sentido de flujo
izquierdo-derecho.
Los medidores volumétricos de gas utilizados en las instalaciones residenciales
serán de tipo diafragma, de desplazamiento positivo. Para las comerciales, de
diafragma o rotativos, según el caso.
El mecanismo de medición será, preferiblemente, en termoplástico y tendrá
incorporado un trinquete que impida su rotación en el caso que el centro de
medición se instale en sentido contrario.
La ventana para la lectura del flujo a través del medidor será en material
transparente, con elevada resistencia a la ruptura y al deterioro por el contacto con
el gas, la luz solar y disolventes. Además, será completamente hermética.
47
5.5.2 Reguladores de Presión. El regulador es el elemento que mantiene una
presión aproximadamente constante y preestablecida en una instalación. Hace
parte del centro de medición si es de segunda o única etapa y, al igual que los
medidores, se tiene un regulador para cada suscriptor.
Su diseño y construcción será de tal forma que garanticen seguridad en su
funcionamiento, adecuados para soportar los esfuerzos mecánicos, las
temperaturas en condiciones normales de operación y resistencia a la intemperie.
Las curvas características de operación del regulador indicarán la variación de la
presión de entrega con modificaciones del caudal, para varias presiones de
entrada. Los caudales máximos utilizados para la selección del regulador serán los
determinados para la instalación interna.
Para los reguladores de presión de etapa única, de segunda o tercera etapa,
según el caso, el sistema de protección contra sobrepresiones en la red, aguas
abajo del regulador, se puede obtener mediante el uso de válvula de alivio con
venteo directamente a la atmósfera, ajustada para que en condiciones críticas no
se presenten presiones mayores que las permitidas por la NTC 3838 o por las
normas asociadas a cada tipo de regulador.
5.5.3 Válvula de corte. Su función es interrumpir o reactivar totalmente el flujo de
gas a una instalación individual. Se instalará inmediatamente después del
elevador, si la instalación es individual, o antes de los medidores de cada centro
de medición en aquellos que son múltiples.
Esta válvula tendrá un sistema que le permita la fijación de un sello de seguridad
en la posición "cerrada", que trabajará sobre el principio de fatiga del material y
será del tipo plegadizo o por compresión para aprisionar el cable que inmoviliza la
operación de la válvula. Una vez que el sello ha sido colocado, cualquier intento
por abrirlo ocasionará el rompimiento del mismo.
48
5.5.4 Unión universal. Accesorio que permite el montaje y acoplamiento de
tramos de tubería y facilita posteriormente su desensamble en caso necesario.
Los asientos de las universales utilizadas en los sistemas de gas serán planos, no
se admiten los de tipo cónico.
5.5.5 Elevador (Transitoma). Es un accesorio metálico especialmente diseñado
para hacer la transición o unión entre tubos de polietileno y tubos metálicos,
aceptados para uso en redes de gas.
Para evitar transmitir esfuerzos mecánicos a la tubería de polietileno que
empalma, el elevador garantizará anclaje seguro a la estructura que lo soporta.
Los elevadores no se instalarán dentro de tuberías de PVC o similares que, por
su pequeño diámetro, impidan un conveniente atraque para la fijación de los
mismos.
5.6 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE MATERIALES Y ACCES ORIOS
UTILIZADOS EN LAS REDES INTERNAS.
A continuación se presentan las especificaciones que cumplirán algunos
elementos utilizados en la construcción de redes internas.
5.6.1 Tuberías. Las tuberías utilizadas para la conducción de gas serán de
materiales no atacables por el gas ni por el medio exterior en contacto con ellos o,
en caso contrario, estar recubiertas con sustancias que garanticen su protección.
Los materiales autorizados para la construcción de redes internas de gas son:
� Acero al carbono.
� Cobre flexible o rígido
� Aleaciones de aluminio
� Acero inoxidable corrugado (CSST)
� Polietileno.
49
5.6.1.1 Tubería de polietileno. Podrá utilizarse tubería de polietileno, fabricada
según especificaciones de la norma NTC-1746, en aquellos casos en que la red
de gas vaya enterrada, en especial en primeros pisos de viviendas unifamiliares,
respetando siempre la profundidad mínima especificada en la NTC-2505.
5.6.1.2 Tubería de acero al carbono. De acuerdo con la normativa colombiana
sobre tuberías de acero al carbono, en las instalaciones internas de gas se
pueden utilizar tubos con o sin costura, negros o recubiertos con zinc por
inmersión en caliente, fabricados de conformidad con las especificaciones de la
NTC 3470 (ASTM A53), aptos para conexiones por medio de roscas de tipo NPT,
según las especificaciones de la norma NTC 332, o por medio de soldadura, bajo
las especificaciones de la norma ANSI B31.8 y NTC 2057.
5.6.1.3 Tubería de cobre. Teniendo en cuenta que el gas utilizado en el sistema
presenta contenidos de sulfuro de hidrógeno (H2S) menores de 7mg/m3, las
tuberías de cobre pueden ser utilizadas para el suministro del combustible. En
cuanto a la parte externa, es necesario tener en cuenta que el cobre es
incompatible con el amoniaco y sus derivados, lo que ocasiona problemas de
corrosión. Las características de las tuberías de cobre corresponderán a las
estipuladas en la norma ASTM B88M, del tipo A o del tipo B, y en las NTC3944 y
4128.
5.6.1.4 Tubería de aleaciones de aluminio. Es posible utilizar tuberías de
aleaciones de aluminio bajo las condiciones y restricciones que se establecen en
la NTC-2505, además de las recomendaciones e instrucciones del fabricante,
quien establecerá los requisitos que cumplirán los instaladores.
5.6.1.5 Tubería corrugada de acero inoxidable (CSST ). Podrá utilizarse tubería
flexible corrugada de acero inoxidable, tipo CSST, fabricada según
especificaciones de las normas ANSI /AGA LC1 o la NTC-4579. Esta clase de
tubería se utilizará para presiones menores o iguales a 345 mbar (5 psig).
50
5.6.2 Válvulas Esféricas. Las válvulas esféricas permiten la rápida operación de
cierre o apertura manual mediante un giro de 90° de su maneral.
Los asientos de estas válvulas serán de teflón, BUNA-N, neopreno o de materiales
similares que garanticen un cierre hermético y resistencia a los efectos del gas
natural y gases licuados del petróleo (GLP).
Los extremos roscados se rigen por las especificaciones de roscas para tuberías
de la norma NTC 332, tipo NPT.
Para el sistema de gas no serán admitidas válvulas esféricas con sistemas que
requieran lubricación (sellante).
5.6.3 Accesorios. Todas las conexiones en las tuberías y demás elementos de
las redes de gas permitirán un suministro en condiciones de hermeticidad, por lo
que los accesorios utilizados garantizarán la ausencia de poros o microporos.
5.6.4 Sellantes anaeróbicos. Son resinas adhesivo-selladoras, que cumplirán
con la NTC 2635 u otra norma reconocida de sellantes para gas, utilizadas para
montajes mecánicos tales como roscas, piezas cilíndricas, conexiones y
empaques; se caracterizan por endurecer sólo cuando quedan encerradas entre
las piezas montadas, debido a la ausencia del aire (son anaeróbicas). El sellante
anaeróbico denominado "fuerza media" es utilizado en las partes removibles del
sistema y el "fuerza alta", en las uniones fijas.
51
6. ECUACIONES DE FLUJO 10
El flujo de gas a través de las tuberías puede ser:
� Parcialmente turbulento
� Totalmente turbulento.
Para flujo parcialmente turbulento la ecuación es:
( ) 8.11
2 Q*L*CP =∆ 8.11
D
227155C =
Para flujo totalmente turbulento :
( ) 22
2 Q*L*CP =∆ ( )1022
Dlog*31827.2*D
2300216C =
Donde:
( ) 22
21
2 PPP −=∆
hmQ
metrosL
PsiaP
3=
==
D = Diámetro interno de tubería, mm
Estas ecuaciones asumen una tasa de flujo constante, temperatura constante, y
cambios de elevación despreciables.
10
Tomado de “Redes Domiciliarias de Gas Natural”. CIG
52
La tasa crítica de flujo, Qc , es la tasa que limita al flujo parcialmente turbulento
del totalmente turbulento, es decir para valores superiores de esta tasa de flujo el
régimen será totalmente turbulento:
106 )dLog31827.2(D10*3553.9Qc +=
Los valores de las constantes, C1 y C2, para varios diámetros de tubería de acero
y de polietileno, así como la tasa crítica, están dados en la siguiente tabla:
DIAMETRO EXTERNO
(mm)
ESPESOR DE PARED
(mm)
C1
Semiturbulento
TASA CRITICA
(m3/h)
C2
Turbulento
PE 15.9 2.28 1.969 20 1.07
26.7 2.69 9.509*10-2 83 3.926*10-2
42.2 4.60 1.168*10-2 213 3.993*10-3
48.3 4.71 5.317*10-3 302 1.695*10-3
114.3 11.00 8.382*10-5 1796 1.871*10-5
ACERO 26.7 2.87 1.032*10-1 80 4.292*10-2
33.4 3.38 3.264*10-2 135 1.223*10-2
219.1 4.78 1.638*10-6 9059 2.645*10-7
273.1 4.78 5.448*10-7 14089 8.056*10-8
323.9 5.56 2.394*10-7 19540 3.318*10-8
355.6 5.56 1.506*10-7 23470 2.011*10-8
406.4 5.56 7.74*10-8 30434 9.867*10-9
508.0 5.56 2.596*10-8 46731 3.020*10-9
Tabla 10. Diámetros internos de tubería. Fuente: “Redes Domiciliarias de Gas Natural”. CIG
6.1 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE FLUJO
Para calcular la caída de presión es necesario el uso de ecuaciones de flujo
53
6.1.1 Ecuación de Weymouth. Esta ecuación y algunas otras han sido derivadas
por Jhonson y Berward, a partir de un balance de energía que concluye que en
todas estas relaciones caen dentro de la formula general.
f . L . T
d. )PP(
P
T (1.6156) Q
f
522
21
b
bh γ
−=
Qh = Tasa de flujo, pies cúbicos por hora a Tb y Pb
Tb = temperatura base o de contrato (°R) normalmente 5 20 (°R).
Pb = presión base o de contrato, lpca.
P1 = presión de entrada al sistema considerado, lpca.
P2 = Presión de salida del sistema, lpca.
d = diámetro interno de la tubería considerada, en pulgadas.
γ = gravedad especifica del aire (aire = 1.0).
Tf = temperatura promedio del gas a condiciones de flujo, °R.
L = longitud de la tubería, millas
f = coeficiente de fricción
En un sistema de distribución la mayor parte de las tuberías están interconectadas
y forman una red. Debido a la interconexión entre los diferentes tramos, el gas
puede fluir desde la fuente hasta los nodos de consumo por diferentes vías y a
diferentes tasas de flujo. Por esto, para resolver una red de distribución, es
necesario calcular:
� Tasa de flujo en cada tramo
� Presión en cada nodo del sistema
Los dos elementos básicos de una red son los nodos y los tramos entre nodos.
Se definen como nodos a los puntos donde una línea termina, dos o más tramos
se unen, o donde necesariamente se realiza la inyección o el consumo; los tramos
54
son los segmentos entre dos nodos adyacentes. Los nodos están localizados en
grupos alrededor de una estructura de distribución o entre límites definidos de la
red de distribución. El mapa de presiones de la red se determina por las presiones
en los nodos.
El cálculo de la red implica la determinación de la dirección de flujo, el
conocimiento de la longitud y el diámetro de cada sección, lo que podría indicar la
escogencia previa del diámetro que se va a utilizar, lo cual está determinado bajo
las siguientes razones rigurosas que exigen su análisis:
� El desarrollo de planes para reforzar un sistema existente de distribución.
� La determinación del efecto de nuevas tasas de flujo adicionadas a un sistema
en operación.
� El tendido y cálculo de diámetros de tuberías para un nuevo sistema de
distribución.
Una vez el análisis de flujo es finalizado, el diámetro a utilizar será una función
directa de la caída de presión disponible, a partir de la cual se podrá calcular cada
nodo y el flujo en cada tramo de la red, hasta determinar las condiciones de
equilibrio; las cuales están basadas en la presión con la que se debe llegar al nodo
más alejado de la fuente. Si el diámetro así escogido, no fuera satisfactorio,
bastaría seleccionar un nuevo diámetro y recalcular.
La distribución de gas al consumidor se puede dividir en cuatro unidades distintas:
� El sistema de recolección
� El sistema de compresión
� La línea de distribución principal o troncal
� Las líneas de distribución
55
En el diseño de líneas de gas se deben considerar muchos factores, estos
incluyen:
� Naturaleza y volumen del gas a ser distribuido
� Longitud y diámetro de la línea
� Presión de inyección
� Presión mínima de diseño y condiciones base.
La estación compresora es colocada y su tamaño es determinado por la cantidad
de gas que va a manejar, esto involucrara la localización de los puntos de
distribución, la disponibilidad de las rutas convenientes, la distancia a la que va a
transportar y la diferencia de presión entre las líneas principales y las líneas de
distribución.
6.1.2 Ecuación aplicada al tramo. La ingeniería del transporte y distribución de
gas natural a través de tuberías requiere del conocimiento de fórmulas de flujo
para cálculo de capacidades y requerimientos de presión.
6.1.2.1 Distribución del caudal en tuberías enlazad as.
� Lazos de igual longitud: Los sistemas de tubos enlazados de igual longitud
están formados por dos o más tuberías paralelas, las cuales manejan un mismo
gas en idénticas condiciones de temperatura de flujo, presión de entrada y de
salida y, por supuesto, caída de presión. La capacidad de cada línea, que
contribuye con el sistema puede ser calculada a partir de ecuaciones y la suma
de las capacidades parciales será la capacidad total del sistema considerado.
El porcentaje de este caudal que es manejado por una sola de las tuberías del
sistema se calcula dividiendo el volumen de esta tubería en particular, entre la
capacidad total del sistema, multiplicada por 100. En las condiciones descritas y
por simple inspección algebraica puede notarse que todos los factores de la
56
ecuación son constantes, excepto d8/3 o K, de tal manera que el porcentaje del
volumen manejado por una tubería “B” del lazo es:
3/8N
3/8C
3/8B
3/8A
3/8
d...ddd
d100%QB
++++=
NCBA
B
K...KKK
K100%QB
++++=
� Lazos de diferentes longitudes: En los sistemas enlazados o
interconectados, formados por tramos de diferentes longitudes, también se
cumplirá que el caudal total debe ser igual a la sumatoria de los caudales
individuales, de tal manera que:
∑=
=n
1i
QiQt
Sea el caso, formada por n tramos interconectados en los puntos 1 y 2, donde se
cumple que:
∑ ∑= =
−==n
1i
n
1i4/1
i
8/3i5.02
22
1itL
d.)P(P . CQQ
i
dT8/3 = dA
8/3 + dB8/3 + dC
8/3 +...+ dN8/3
8 ∑=
=n
1i
8/3i
3/8T dd
∑=
−=n
1i
5.05.022
21
3/8It L)P(P . d. CQ
∑=
=n
1i
8/3i
3/8I
i
d
100.dQ%
57
El flujo individual de cada tramo se determinará dividiendo la razón de cada
diámetro y longitud entre la sumatoria de esas razones, previa consideración de
los exponentes respectivos, a saber:
∑∑==
===n
1i5.0
i
8/3i
5.0i
3/8I
n
1it
i
t
ii
L
d
L
d
Q
Q
Q
QQ%
6.1.2.2 Cálculo de la capacidad de un sistema de do s tuberías en serie. Sea,
por ejemplo, el diagrama que se presenta en el gráfico 10 para representar un
sistema formado de dos tuberías en serie de diferente diámetro, en el cual se
desea calcular la capacidad del sistema.
Gráfico 10. Esquema de dos tuberías en serie de Diámetros diferentes. Fuente: “Redes Domiciliarias de Gas Natural”. CIG
El caudal del sistema se calcula con la siguiente fórmula:
2AB
AB2AB
AB
2C
2A
K
L
K
LPP
Q+
−= Donde:
23
8
BC2BC
23
8
AB2AB d . cK y d . cK
=
=
QAB = QBC = Q
LAB LBC
A B C
QAB = QBC = Q
LAB LBC
A B C
58
6.1.3 Longitud equivalente en tuberías. En ciertas circunstancias, es a menudo
deseable y conveniente describir un sistema de tuberías o secciones de estas, en
términos de una longitud equivalente de tuberías de diferentes diámetros. Para
dichos casos, se considera una cierta temperatura base, presión base,
temperatura de flujo, capacidad y caída de presión son idénticas. Las variables
son el diámetro interno y la longitud.
Se deduce que a mayor diámetro interno, mayor será la longitud a través de la
cual la mencionada capacidad será conducida con una cierta caída de presión
previamente determinada.
La ecuación para tubería A, en términos de su longitud equivalente de B, resulta:
( ) ( )5.0
B
5.022
21
38
B5.0
A
5.022
21
38
A
L
PPCdQ
L
PPCd −==
−
Cancelando los términos C y P, los cuales son idénticos para ambas tuberías se
tiene:
A
2
A
BA2
38
A
23
8
B
B
5.0B
38
B5.0
A
38
A
5.0A
A
B
38
A
5.0A
38
B5.0B
LK
KL
d
dL
L
d
L
d
LK
K
d
LdL
=
=
=
==
6.1.4 Longitud de un lazo. Se puede incrementar la capacidad de una tubería,
sin aumentar la caída de presión agregando un lazo al sistema, parcial o
totalmente, y utilizando una tubería de diámetro igual o diferente del de la tubería
59
original. Así mismo, al instalar un lazo podría mantenerse la capacidad original de
la tubería con una caída de presión inferior.
La siguiente relación puede ser usada para usada para determinar que fracción
“X”, de la tubería de diámetro interno igual al original, debe ser enlazada, a fin de
manejar un incremento predeterminado de capacidad:
L Q
Q1
34
X2
n
o
−=
Si se toma como ejemplo el sistema el gráfico 11, formado por una tubería de
longitud L, capacidad Qo y cuyas presiones en los extremos sean P1 y P2, y se
desea aumentar la capacidad del sistema hasta caudal Qn, sin alterar las
presiones terminales P1 y P2 utilizando un diámetro igual al de la tubería original,
como se muestra en el gráfico 12, la tasa de flujo en la sección CB será igual a:
( )[ ] 5.0
5.022
23
38
Bn
XL
PPCdQ
−−
=
Y la tasa de flujo en cualquiera de las dos secciones AC será:
( )5.0
5.023
21
38
Bn
X
PPCd
2
Q −=
Ya que (P/Z)2 vs. L es una relación lineal, se puede escribir:
( ) ( ) ( )22
23
23
21
22
21 PPPPPP −+−=−
Al reemplazar los términos de la ecuación por sus respectivos valores, en las
expresiones anteriores, quedará:
60
( ) [ ]
( ) [ ]
( ) ( )[ ]
−=−
=−
=−
316
2
2n2
223
316
2
2n2
32
1
316
2
2o2
22
1
dC
XLQPP
dC4
XQPP
dC
LQPP
Se tendrá lo siguiente: [ ] [ ] ( )[ ]
−+
=
3
162
2n
316
2
2n
316
2
2o
dC
XLQ
dC4
XQ
dC
LQ
Que al simplificar daría:
−=
2
n
o
Q
Q1
34
LX
Gráfico 11. Sistema original. Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
A Qo B
L
61
Gráfico 12. Tuberías parcialmente enlazadas. Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
X / L puede denominarse simplemente x y representa la fracción de tubería total
que debe enlazarse, por ejemplo X = 0.35 significaría que debe enlazarse un 35%
de la longitud original.
Y si el diámetro interno de la nueva tubería es diferente del diámetro original, la
ecuación resultaría como sigue
( ) 5.022
215.0
38
oo PP
L
CdQ −=
( )
( )( ) 5.02
22
35.0
38
on
5.022
215.0
38
n3
8
on
PPXL
CdQ
PPX
dCdQ
−−
=
−+
=
Y de nuevo ( ) ( ) ( )22
23
23
21
22
21 PPPPPP −+−=−
( )3
16
o2
2n
316
n3
16
o
2n
23
16
o2
20
dC
XLQ
dd
XQ
C
1
dC
LQ −+
+=
P1 P3 P2
A C B
X
62
Lógicamente, la ecuación podría escribirse en función del coeficiente de
Weymouth, con lo cual quedaría representada de la siguiente manera:
L
KK
K1
Q
Q1
X2
no
o
2
n
o
+−
−
=
En ocasiones se desea aumentar la capacidad de un sistema, formado por dos o
más tuberías paralelas, utilizando un lazo en toda la extensión. En este caso, do8/3
o Ko pasarían a ser:
∑=
m
1ii
38
d o ∑=
m
1iiK
O, lo que es lo mismo, la suma de esos valores para todas las tuberías del sistema
original. La fracción para colocar será otra tubería paralela, calculada con las
ecuaciones anteriores.
6.1.5 Corrección por compresibilidad (z). El efecto de la compresibilidad
deberá compensarse adecuadamente en tuberías de gas de alta presión a fin de
hacer las predicciones con exactitud.
El término de la ecuación de Weymouth, el cual contiene la raíz cuadrada de la
diferencia cuadrática de las presiones, es:
5.02
2
2
2
1
1
Z
P
Z
P
−
Las presiones terminales son específicamente rectificadas por esta presión.
63
6.2 CÁLCULO DE LA PRESIÓN PROMEDIO EN TUBERÍAS
Para inventariar el gas en grandes tuberías, donde exista una diferencia sustancial
en las presiones terminales con determinadas condiciones de flujo, debería
emplearse una verdadera presión promedio.
Se han hecho investigaciones en largas tuberías cerrando simultáneamente
ambas válvulas hasta obtener presiones constantes en ambos extremos. Al igualar
las presiones, la siguiente relación para calcular la presión promedio se considera
aplicable:
+−+=
21
2121p PP
PPPP
32
P
La cual es equivalente a la fórmula siguiente:
−−
=22
21
32
31
pPP
PP
32
P
En la cual todas las presiones están expresadas en psia.
6.3 CÁLCULO DE REDES DE GAS
El cálculo de la caída de presión para una sola tubería requiere solamente de la
aplicación de la ecuación de flujo. Sin embargo, en un sistema de distribución la
mayor parte de las tuberías están interconectadas, formando una red. A
consecuencia de la interconexión entre los diferentes tramos, el gas puede fluir
desde la fuente hasta los nodos de consumo, y en diferentes vías y a distintas
tasas de flujo. Por eso, cuando se habla de resolver una red, se requiere
especificar el cálculo del caudal en cada tramo y la presión en cada nodo.
Existen diversos tipos de problemas que pueden exigir el análisis riguroso de una
red:
64
� Desarrollo de planes para reforzar una red existente de distribución de gas.
� Determinación del efecto de nuevas tasas de flujo agregadas a un sistema de
distribución en operación.
� Estudios del efecto de válvulas y reguladores de presión en tuberías
existentes.
� Tendido y cálculo de diámetros de ductos para una nueva distribución.
6.3.1 Leyes aplicadas a los nodos (leyes de kircho ff). La suma algebraica de
los fluidos de gas que entran y salen del nodo es cero.
Sistema de baja presión: ( ) ( ) ( ) ( ) 0PPPPPPPP 25544332 =−+−+−+−
6.3.2 Método de Hardy Cross. El fundamento matemático de la mayoría de los
métodos de cálculo utilizado en redes de gas tiene su base en la teoría general de
Hardy Cross, que a su vez, proviene de una aplicación directa de las leyes de
Kirchoff, las cuales establecen lo siguiente:
En todo nodo, la sumatoria algebraica de los flujos que entran y salen es igual a
cero.
� En un circuito cerrado o red, la suma algebraica de las pérdidas de cargas
igual a cero.
� La pérdida de carga total (h) para una cierta longitud de tubería (L) y una
pérdida de carga unitaria (α) es igual a: 2LQh α= , donde la resistencia de la
tubería r es: Lr α= , y por lo tanto: nrQh =
Dependiendo de la ecuación que se seleccione el exponente n varía entre 1.75 y
2.0. En el caso específico de Weymouth, n=2.0.
El procedimiento para cerrar redes de gas se basa en el cálculo de un ajuste (∆Qo)
para un caudal de flujo (Qo) previamente asignado, de tal manera que la nueva
tasa de flujo, en el tramo referido será:
65
oon QQQ ∆+= Donde: Qn es el caudal corregido y ∆Qo es la corrección.
Qo es el caudal inicialmente asignado al nodo. Que es el caudal destinado a irrigar
el sistema (Figura No. 4) y descargar por los nodos 2, 3 y 4; de modo que:
432T QQQQ ++=
Gráfico 13. Esquema de una red para el desarrollo de la Ley de Kirchoff.
Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
Se escoge una distribución inicial del gas en el sistema Q1-2 + Q2-3 + Q4-3 + Q1-4 , y
con base en esto, se calcula el factor de corrección del caudal (∆Qo).
La nueva tasa de flujo en cada tramo será el caudal anterior más el valor
algebraico que resulte de la corrección (Qi + ∆Qo) como aparece a continuación:
o3232
o2121
oon
QQQ
QQQ
QQQ
∆+=∆+=
∆+=
−−
−−
Las leyes de Kirchoff seguirán siendo válidas en cada uno de los nodos de la red.
La pérdida de carga total con el caudal corregido será igual a: ( )n
oo
n
QQrh
rQh
∆+=
=
2
1
3
4
Li
Q23
Q14
Q4
Q2
Q12 Q43
QT
Q3
2
1
3
4
Li
2
1
3
4
Li
Q23
Q14
Q4
Q2
Q12 Q43
QT
Q3
66
El término ∆Qo, expresado en el sistema original, quedaría así:
∑
∑
=
=−=∆n
1i2i
ii
n
1i2i
i2i
o
K
LQ2
K
LQ
Q
6.3.3 Método Modificado de Hardy Cross. Éste método se aplica en la solución
de redes con varias fuentes o insumos y múltiples descargas. Su objeto es
balancear el caudal que entra por las diferentes estaciones.
Cuando se trate de un mayor número de nodos de suministro, (nodo fuente) se
deberá incluir como mínimo cada nodo en una de las conexiones.
El enlace entre fuentes se tomará como una malla adicional. Se calcula el factor
de corrección ∆Qo para cada malla o conexión, hasta que el valor absoluto de ∆Qo
sea despreciable. El signo del flujo del empalme entre fuentes se considera
positivo, cuando se aleje del nodo de partida (A) y viceversa.
Gráfico 14. Esquema Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
F
C
1.08
D
0.08
E1.22
1.1
0.25
1.6
1.35
1.58
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
0.51..0
A
I II
F
C
1.08
D
0.08
E1.22
1.1
0.25
1.6
1.35
1.58
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
0.51..0
A
F
C
1.08
D
0.08
E1.22
1.1
0.25
1.6
1.35
1.58
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
0.51..0
F
C
1.08
D
0.08
E1.22
1.1
0.25
1.6
1.35
1.58
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
C
1.08
D
0.08
E1.22
1.1
0.25
1.6
1.35
1.58
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
0.51..0
A
I II
67
6.3.4 Método de Renouard . Este método supone que si h= r . Qn
h’ = n . r . Qn-1
Renouard considera �Qo= Xi y lo aplica a mallas colindantes, por lo cual:
( )2
L.Q L Q XL QX
i
n
1i
2i
jjj
n
1iiii
∑∑∑ =
=
−=−
Donde Xi es la corrección del flujo (�Qo) para una malla i y Xj, el ajuste del caudal
en la malla colindante j. Este procedimiento lleva al establecimiento de un sistema
de tantas ecuaciones como mallas existan en la red, cuya solución entrega, de
una sola vez, los ajustes del caudal de hace corrigiendo con las diferencias de los
�Qo entre el calor de la malla respectiva y la adyacente. Obsérvese que el
sistema ha sido expresado en función de un solo diámetro equivalente.
6.3.5 Método de Demallaje Simplificado. El método de demallaje simplificado
reduce el número de mallas de la red, a una sola malla, consiste en eliminar los
tramos intermedios y distribuir el flujo de cada tramo cortado, hacía los respectivos
nodos de alimentación; de tal manera que la solución se simplifique. Luego se
trabaja el sistema hasta obtener un valor despreciable de ∆Qo (menor que la
tercera cifra decimal o 0.009). Para ello se emplea la misma ecuación del método
de Hardy Cross:
∑
∑
=
=−=∆n
1iii
n
1ii
2i
o
LQ2
LQQ
6.3.6 Método de demallaje simplificado aplicado a v arias fuentes y múltiples
salidas. Consiste en distribuir el flujo que llega por dos o más fuentes en una
malla cuyos tramos críticos han sido cortados. La dirección del flujo seguirá
considerándose positiva en el sentido de las agujas del reloj y viceversa.
68
Después de la primera asignación de caudales, el procedimiento de cálculo es el
mismo utilizado de Hardy Cross para una sola malla.
6.3.7 Solución de redes por ensayo y error. Por algunos años, el único método
usado en la solución de redes fue el sistema de ensayo y error. Probablemente no
había dos personas que emplearan exactamente el mismo procedimiento, sin
embargo, se seguían los siguientes pasos:
a) Asignar las tasas de flujo en todas las secciones de la tubería, lo cual debe
satisfacer en cada nodo la primera ley de Kirchoff. En grandes redes, el
procedimiento consiste en estudiar la zona irrigada por fuente y trabajar desde
el perímetro de cada área de invasión de una determinada fuente, hacia ésta.
b) Calcular las pérdidas de presión en las diferentes secciones de tubería,
utilizando la ecuación de flujo.
c) Sumar pérdidas de presión en cada malla, a lo largo de las secciones
continuas de tuberías que unen dos fuentes; los valores de esta suma se
verifican luego con la segunda ley de Kirchoff.
d) Modificar las tasas de flujo asignadas en el paso a tratando de lograr c. repetir
b, c y d.
Se continúan las modificaciones en las tasas de flujo, hasta que las pérdidas de
presión satisfagan la segunda ley de Kirchoff dentro de una tolerancia aceptable.
Este procedimiento de ensayo y error es muy tedioso y los errores son difíciles de
evitar. Todavía se usan en soluciones manuales de problemas de flujo.
Un analista experimentado de redes de gas difícilmente intenta resolver una red
por ensayo y error, pero trabaja el problema solamente hasta obtener suficientes
detalles y establecer el diámetro de tubería adecuado para una determinada
carga. Se empieza balanceando las cargas entre fuentes hasta satisfacer
aproximadamente la segunda ley de Kirchoff, luego se investigan los tramos de la
69
red que tienen mayores pérdidas de presión y se corrigen, tratando de satisfacer la
segunda ley de Kirchoff en éstas áreas.
6.4 EJEMPLO DE CALCULO SEGÚN HARDY CROSS
El gráfico 15 ilustra la red que se desea calcular y la distribución inicial del flujo en
el sistema.
La tabla 11 indica la secuencia de los cálculos en el primer intento de ajustar el
flujo. El primer valor de �Qo = (0.035) permite corregir los caudales de la primera
malla, con lo cual se altera la tasa de flujo en los tramos comunes BH y HF.
Gráfico 15. Esquema de Hardy-Cross. Distribución inicial en la red de g as.
Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
F
C
1.1
D
0.1
E1.2
1.1
0.3
1.6
1.35
1.6
1.3
1.0
B
H
2.6G
0.5
3.1
A 3.9
F
0.51..0
I II
B
F
C
1.1
D
0.1
E1.2
1.1
0.3
1.6
1.35
1.6
1.3
1.0
B
H
2.6G
0.5
3.1
A 3.9
F
0.51..0
I II
F
C
1.1
D
0.1
E1.2
1.1
0.3
1.6
1.35
1.6
1.3
1.0
B
H
2.6G
0.5
3.1
A 3.9
F
0.51..0
F
C
1.1
D
0.1
E1.2
1.1
0.3
1.6
1.35
1.6
1.3
1.0
B
H
2.6G
0.5
3.1
A 3.9
F
C
1.1
D
0.1
E1.2
1.1
0.3
1.6
1.35
1.6
1.3
1.0
B
H
2.6G
0.5
3.1
A 3.9
F
0.51..0
I II
B
70
Gráfico 16. Distribución final del flujo en el sist ema y presión en los nodos
(método de hardy-cross).
Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
Al calcular �Qo para la segunda malla (0.01), puede observarse que éste resulta
despreciable y que es innecesario continuar haciendo correcciones, aunque se
insiste en concluir la operación cuando se haya alcanzado la tercera cifra decimal
(Ejemplo= 0.009). Con el valor obtenido se realiza el ajuste del flujo y se completa
la distribución final del gas. (Gráfico 15). A menudo se logra un cierre de presiones
con aproximación de menos de 1.01 lpcm, cuando se alcanzan valores de:
�Qo ≤ 0.009
La tabla 12 presenta los valores de presión, anotados en los nodos de la red
(Gráfico 15)
C
400 m
D
340 m
E520 m
1.1
2.0
680 m
360 m
1.6
1.0
B
H
700 mG
0.8
A 660 m
F
0.71.28.8
660 m
B
C
400 m
D
340 m
E520 m
1.1
2.0
680 m
360 m
1.6
1.0
B
H
700 mG
0.8
A 660 m
F
0.71.28.8
660 m
C
400 m
D
340 m
E520 m
1.1
2.0
680 m
360 m
1.6
1.0
B
H
700 mG
0.8
A 660 m
F
0.71.28.8
660 m
B
71
Gráfico 17. Presenta la distribución final del flujo en el sistema y la presión en los
nodos, utilizando tubería de 4” x 0.156 “.
Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
Tabla 11
Tramo Qi Li Qi . Li Q2 Q2 . L Qc
AB 3.9 0.66 2.574 15.20 +10.039 3.93
BH 1.3 0.34 0.442 1.69 +0.575 1.33
FH 0.3 0.34 0.102 0.09 -0.003 0.27
GF 2.6 0.70 1.820 6.75 -4.732 2.57
AG 3.1 0.66 2.046 9.60 -6.343 3.07
6.984 -0.492
Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
035.0 (6.984) (2)
0.492 - - −==∆Qo
(5 lpcm)
F
C
1.09
D
0.09
E1.21
1.1
0.26
1.6
1.345
1.59
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
0.51..0(59)
(38)
(17) (9)
(13)
I II
(5 lpcm)
F
C
1.09
D
0.09
E1.21
1.1
0.26
1.6
1.345
1.59
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
0.51..0(59)
(38)
(17) (9)
(13)
I II
F
C
1.09
D
0.09
E1.21
1.1
0.26
1.6
1.345
1.59
1.3
1.0
B
H
2.57G
0.5
3.07
A 3.93
F
0.51..0(59)
(38)
(17) (9)
(13)
I II
72
Tabla 7.11 Continuación.
Tramo Qi Li Qi . Li Q2 Q2 . L Qc
BC 1.60 0.36 0.576 2.56 +0.922 1.59
CD 1.10 0.40 0.440 1.21 +0.484 1.09
DE 0.10 0.34 0.034 0.01 +0.003 0.09
FE 1.20 0.52 0.624 1.44 -0.749 1.21
FH 0.27 0.34 0.092 0.07 +0.024 0.26
BH 1.33 0.34 0.452 1.77 -0.600 1.34
2.218 +0.035
Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
0.01 - 008.0 (2.2118) (2)
0.035 - - Qo =−==∆
Una presión mínima de 5 lpcm en el nodo de equilibrio (E) ha parecido razonable;
sin embargo, la presión en el nodo A puede calcularse directamente, para
cualquier presión en E, por simple aplicación de la ecuación de Weymouth
De la misma manera, conociendo la presión en la fuente, podría determinarse la
presión en cada uno de los nodos del sistema.
Tabla 12 Calculo de la presión en cada nodo de la Figura 7.8 (método de Hardy Cross), con 20% de exceso sobre el caudal. Para diámetro de 4” x 0.156” y k2=2.19x109
Tramo Qi L.millas Q2L, MM Q2L/K Q2L/K 2 PN
AB 3.93 0.66 10.15 4.634 5651 59
BC 1.59 0.36 0.90 411 1017 17
CD 1.09 0.40 0.468 214 606 9
DE 0.09 0.34 0.002 1 392 5
AG 3.07 0.66 6.220 2.840 5699 59
GF 2.57 0.70 4.630 2.114 2859 38
FE 1.21 0.52 0.775 354 745 13
Fuente: “Redes de gas domiciliario”. CIG
73
El cálculo de la tasa de flujo total en la red incluye un 20% exceso sobre el caudal
estimado y excluye la producción en A.
La caída de presión total (59 – 5 = 54 lpc ) implica el uso de un diámetro común en
todo el sistema (4” x 0.156 ); no obstante, podrían utilizarse diferentes diámetros,
teniendo cuidado de reducir la red a un sistema equivalente.
Nótese que la parte más recargada del sistema es la malla I, por esta razón, si se
deseara incrementar la capacidad, bastaría aumentar el diámetro de esta malla.
Otras consideraciones para ampliar la capacidad de la red podrían ser:
a) Aumentar el diámetro de toda la red,
b) Empalmar otra fuente en el nodo E.
c) Subir la presión en la fuente A.
Esta ultima parte se descarta de este estudio, por cuanto se puede prever que
nuestra red se alimente del anillo principal de la ciudad (P = 60 lpc ) y porque la
compresión del gas resultaría demasiado costosa.
Convendría discutir que ocurriría si se decidiera aumentar el caudal original en un
50% (10.5 MM pcdn del nodo A) Figura 7.6
Parece innecesario mostrar la secuencia total de los cálculos, por lo cual se
incluyen solamente los resultados.
El uso de una tubería de 3 “en todo el sistema implicaría una caída de presión de
166 lpc entre los nodos extremos.
74
7. CONCLUSIONES
� El gas natural se ha posicionado como el combustible ideal para suplir las
necesidades energéticas de los hogares en Colombia y en el mundo debido a
sus propiedades como la practicidad en su uso, la seguridad con que se
maneja, la limpieza del mismo y un factor relevante que es la economía en su
precio.
� Los descubrimientos gasíferos, la optimización en la capacidad de transporte y
los planes de masificación, han contribuido a que a día de hoy, más de seis
millones de hogares en el país así como industrias y comercios, tengan este
recurso como generador energético.
� La seguridad para las personas, usuarios y el entorno, es el aspecto más
relevante que deben tener en cuenta los entes encargados de la producción,
transporte, instalación, regulación y consumo del gas natural, para hacer de él
un recurso que contribuya al desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida de
las personas.
� Se debe hacer un estudio previo de demanda y tendencias de consumo para
asegurar la rentabilidad de los proyectos, así como la selección de los
materiales requeridos y la aplicación de las normas en cuanto al sector existen,
para asegurar la seguridad y prolijidad en su uso.
� En cuanto a los métodos de solución de flujo, el método de Hardy Cross es el
más usado para tal fin debido a la practicidad en los cálculos, a la mejor
distribución que hace del flujo del gas, a que tiene en cuenta factores que
facilitan la implementación del diseño de redes y proporciona mayor estabilidad
y seguridad en el flujo de gas natural al usuario, que en últimas es lo que se
busca alcanzar.
75
8. BIBLIOGRAFÍA
� EPM Gas Natural. “Guía Diseño Redes de Gas”.
� REYES H., Alvaro. “Redes Urbanas de Gas Natural Domiciliario”. Medellin.
1994.
� Centro de Investigación del Gas. “Redes Domiciliarias de Gas Natural”.
� BENJUMEA, Walter. Tesis de grado “Análisis de factibilidad técnico-
económica y diseño de la red de gas domiciliario en el municipio de
Chinácota (N.S.). UIS 2007.
� NATURGAS. Cartilla “Indicadores 2012”.
� Página web CREG.
� Página web Gas Natural Fenosa.
� Página web ECOPETROL S.A.