Optimización y simulación en redes de gas: Detección de inconsistencias y estudios de sensibilidad

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Resumen

En sistemas de optimización como el que se presenta en la detección de causas de amortizaciones no factibles resulta crítica. Las amortizaciones no factibles derivan de que los datos iniciales que recoge el sistema provocan una inconsistencia en las restricciones. Pero en una red de gas con un movimiento continuo de flujos en diferentes sentidos, es necesario que exista un módulo que permita detectar inconsistencias a partir del cálculo de los flujos residuales. La primera es que, siempre que se trate de una red de gaseoductos real, un operario de esa misma red con suficiente experiencia y con ayuda de diferentes herramientas de cálculo, valide el resultado. La segunda opción, y más recomendable, elimina la intervención humana, y consistiría en trasladar los resultados obtenidos en un el proceso de optimización a una herramienta de simulación del comportamiento del sistema.

Objetivos y planteamiento del problema

El desarrollo de este trabajo tiene como objetivo básico la ampliación del  sistema  SPOL(RBG) [2] con un modelo de almacenamientos subterráneos que se adapte  a  los requisitos del sistema, un módulo que permita la realización de estudios  de  sensibilidad  y coste y un módulo que permita la detección de las causas que provocan la aparición de soluciones no factibles. Además de estas intervenciones realizadas sobre el sistema de optimización, se  persigue  un  segundo  objetivo  tan  importante  como  el  primero:   el diseño  y la implementación de un simulador del comportamiento físico de la red para validar  las planificaciones propuestas por el sistema de optimización logística.

Diseñar toda la estructura que corresponde a un módulo para estudios de sensibilidad y de costes en un sistema de optimización. Para facilitar los estudios económicos se implementará un proceso de optimización de dos fases que permitirá aislar el efecto de los términos de penalización de la función objetivo del de los términos económicos. En lo que se refiere a los estudios de sensibilidad, el módulo permitirá seleccionar parámetros específicos del modelo de optimización para determinar cómo varían los resultados en función de los valores escogidos para los citados parámetros, especialmente la función objetivo.

Bases        físicas        del        funcionamiento        de        los        almacenamientos subterráneos

El gas natural es el combustible fósil de más difícil almacenamiento. Al tratarse de un gas debe almacenarse en un contenedor impermeable y a presión; además debido a su bajo poder calorífico por unidad de volumen a la presión atmosférica, requiere presiones de almacenamiento mucho mayores o recipientes presurizados. Desde finales del siglo XIX hasta principios del siglo pasado, para el almacenamiento de gas en las grandes ciudades se empleaban unos contenedores a presión atmosférica denominados gasómetros [5]. El mayor de estos gasómetros tenía una capacidad de poco más de trescientos mil metros cúbicos, aunque los volúmenes típicos estaban en torno a cincuenta mil metros cúbicos. Estos sistemas de almacenamiento funcionaban bien cuando la demanda de gas era baja y el precio elevado, pero cuando se produjo un crecimiento de esta demanda y una bajada de precios, el gasómetro dejó de ser rentable económicamente. Para el almacenamiento de gas también se han empleado recipientes a alta presión, pero resultan tan caros que solo se ha hecho en casos en los que el sobrecoste económico estuviera plenamente justificado y el volumen no fuera demasiado grande.

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Figura 2.2. Gasómetro de la Troy Gas Light Company

(Rensselaer County, New York).

Las instalaciones de almacenamientos subterráneos han evolucionado, pues, como las preferidas para cubrir las necesidades especiales del sistema. En la mayoría de los casos se emplean yacimientos agotados transformados. Los primeros almacenamientos subterráneos comenzaron a construirse en Estados Unidos y en Canadá en las primeras décadas del siglo pasado. Inicialmente se utilizaban yacimientos petrolíferos ya agotados, pero en los años 30 comenzaron a realizarse las primeras pruebas de almacenamientos en acuíferos, construyéndose el primer almacenamiento de este tipo en Kentucky en 1946. También se pueden emplear cavidades excavadas en sal para guardar gas, como se hizo por primera en Michigan. La forma en que se diseña y se utiliza un almacenamiento subterráneo depende en gran medida de la previsión de demanda, que a su vez depende de la meteorología y, en menor medida del tipo de usuarios del sistema.

Tipos de almacenamientos subterráneos.

Los almacenamientos subterráneos de gas se clasifican en función del tipo de estructura geológica que los alberga existiendo cuatro tipos:

• ROCAS POROSAS (YACIMIENTOS AGOTADOS DE GAS O PETRÓLEO):

La mayoría de las instalaciones de almacenamiento de gas se crean en las rocas porosas de yacimientos de gas agotados que han estado en operación durante décadas. Es menos costo desarrollar yacimientos agotados que otros tipos de instalaciones, porque los pozos de drenaje y las cañerías de recolección existentes

pueden reutilizarse. Los yacimientos están compuestos por rocas sedimentarias  y  arenisca, cuya composición básica consiste  en  unos  granos  constitutivos entre los  cuales existen unos espacios naturales llamados poros [8]. Los poros están interceptados formando una red de canales diminutos que permiten que el gas fluya y se almacene.     De los cuatro almacenamientos subterráneos operativos en el sistema gasista español,  tres son de este tipo: Serrallo (figura 2.3 ), Gaviota y Marismas.[pic 3]

Figura 2.3. Estructura de un almacenamiento en rocas porosas (almacenamiento de Serrablo).

• CAVIDADES SALINAS:

La sal tiene diversas propiedades que la hacen ideal para el almacenamiento de gas. Posee una resistencia moderadamente alta y fluye plásticamente, sellando fracturas que de lo contrario podrían dar lugar a fugas. Los valores de porosidad y permeabilidad respecto a hidrocarburos líquidos y gaseosos se acercan a cero, de modo que el gas almacenado no puede escapar [7]. Las cavernas de sal constituyen la opción preferida para el almacenamiento comercial, porque permiten frecuentes alternaciones cíclicas y altos regímenes de inyección y producción. En nuestro país no existen almacenamientos de este tipo.[pic 4]

Figura 2.4. Sección transversal de una instalación de almacenamiento en una cavidad salina. 1 es la estación central, 2 es el conducto de almacenamiento, 3 corresponde a las cavidades salinas y 4 al lecho salino [10].

• MINAS ABANDONADAS:

En algunos lugares del mundo, como el Reino Unido existe una larga tradición minera y ha habido una explotación extensiva sobretodo del carbón. La minería ha generado espacios y cavernas de diferentes tamaños, formas y composición geológica [8]. El que el espacio creado pueda emplearse

para almacenar el gas depende del tipo de método que se empleó para minar, de hecho no es factible usar la mayoría de las cavernas, sobre todo si se emplearon métodos muy antiguos. En España no existe ningún almacenamiento de este tipo.

• ACUÍFEROS:

Los acuíferos son formaciones subterráneas, de rocas porosas y permeables que  actúan como reservorios naturales de agua. Los acuíferos son el tipo menos conveniente y  más cara  su instalación  para  el  almacenamiento  de  gas  natural  [9]. Las características geológicas de las formaciones acuíferas no son tan bien conocidas como las de los yacimientos agotados, por tanto es necesaria una inversión significativa de tiempo y dinero para averiguar dichas características y determinar su idoneidad para el almacenamiento de gas natural.

Además, deben realizarse pruebas sísmicas, tal y como se hace para la exploración de potenciales formaciones de gas natural. Existen 627 almacenamientos subterráneos de  gas natural en el mundo, 81 de los cuales son acuíferos salados profundos, incluido uno bajo el casco urbano de Berlín. En nuestro país solo existe un almacenamiento operativo de este .t5ip),oe:neGl udaedYalealjaar(af.igura 2[pic 5]

Figura 2.5. Esquema de la estructura del almacenamiento acuífero de Yela.

Estructura fisica.

Una instalación de almacenamiento por lo general consta de algunos de los siguientes componentes:

• RESERVA SUBTERRÁNEA: son estructuras geológicas consistentes en un medio poroso que tiene un cierto grado de permeabilidad. La porosidad permite que el gas natural entre en el medio y la permeabilidad permite que el gas fluya de un punto a otro dentro del medio. Casi siempre hay una capa impermeable que recubre el medio poroso (roca sello) y que generalmente se curva en forma de cúpula y previene que el gas contenido en el medio poroso ascienda a la superficie. Gracias a su curvatura, la roca sello también puede evitar el movimiento lateral del gas hacia el exterior del medio poroso. En algunos casos una falla geológica puede haber producido un desplazamiento vertical en uno o más lados de la arenisca para proporcionar un cierre lateral. La parte inferior del medio poroso puede estar sellada por roca impermeable, o por agua. Debido a las características específicas de cada almacenamiento en particular, puede que no sea factible retirar una porción particular de gas de la reserva, ya sea para controlar el influjo de agua, la forma de la burbuja de gas, o por otras razones. Esta cantidad de gas se denomina “gas colchón”.

• POZOS (DE INYECCIÓN, DE EXTRACCIÓN, DE INYECCIÓN-EXTRACCIÓN): Los pozos se utilizan para transferir gas de la reserva subterránea. Los pozos combinados inyección-extracción son los más comunes y económicos y se pueden emplear tanto para introducir como para retirar gas de la reserva. Los pozos de inyección-extracción se diferencian de los que no son de uso combinado sobre todo en el calibre, que es mucho mayor. Existe un último tipo de pozos, los de observación, que se utilizan para controlar la entrada de agua en un depósito y son de pequeño diámetro.

• SISTEMA DE RECOLECCIÓN: conecta el sistema de pozos con el punto central de las instalaciones. Este sistema de recogida es similar al sistema de recolección en un campo de producción de gas natural, excepto que las líneas de recolección han de ser más grandes y capaces de mover una mayor cantidad de gas, pues los pozos son de mayor calibre.

• INSTALACIONES DEL SISTEMA: deben de incluir un compresor que permita mover el gas, un sistema de medición, un deshidratador que permita evaporar el agua de sellado que se extraiga del almacenamiento, y, por supuesto una línea de transmisión.

Modelación computacional estocástica

Para gestionar de manera adecuada, prever el comportamiento de las instalaciones y asegurarse de que en ningún momento se planifican operaciones que puedan comprometer la estabilidad geológica de la zona en la que está ubicado el almacenamiento, las empresas gasistas emplea modelos computacionales estocásticos de los mismos. Estos son conocidos como modelos Geopetrofíscos [11]. Consisten en un modelo geológico, que hace una descripción de los rasgos geológicos estructurales del yacimiento (figura 2.6), y un modelo petrofísico que describe la distribución de las propiedades petrofísicas de las rocas (porosidad, permeabilidad, saturación, etc) (figura 2.7).

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