FACULTAD DE INGENIERA Vicedecanatura Acadmica POSGRADOS

PRESENTACIN PROPUESTA (Utilice o ample los espacios sugeridos segn convenga Tamao Fuente: 12, Interlineado: 1,5)

TESIS DE DOCTORADO: TRABAJO FINAL DE MAESTRA: ESPECIALIZACIN

TESIS DE MAESTRA: TRABAJO FINAL DE

1. PROPONENTE:

JAVIER ANDRADE

CDULA: 1707005813

2. PROGRAMA: MAESTRIA EN INGENIERIA AUTOMATIZACION INDUSTRIAL 3. DIRECTOR PROPUESTO: PROFESOR OSCAR DUARTE DEPARTAMENTO: POSGRADO EN AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL ASESORES: POR DEFINIR 4. TTULO: DESARROLLO DE HERRAMIENTA DE SIMULACIN PARA EQUIPOS SEPARADORES DE AGUA LIBRE REA: AUTOMATIZACIN Y CONTROL LNEA DE INVESTIGACIN: TEORIA Y APLICACIN DE CONTROL

Pgina 1 de 21

5. ANTECEDENTES

Y

JUSTIFICACIN:

(Indicar

los

desarrollos

previos,

circunstancias y condiciones que llevaron a la conclusin de la necesidad y conveniencia del proyecto). Los separadores de agua libre, por sus siglas en ingls FWKO (Free Water Knock Out), son equipos utilizados en facilidades de superficie de la industria petrolera para separar gas, emulsin crudo-agua y agua libre. Existe un paquete de simulacin de procesos, el Aspen Hysis, muy utilizado en la regin por empresas que brindan servicios al medio petrolero, para el diseo de facilidades de superficie que permite incluso la simulacin dinmica de sistemas, pero no es utilizada para disear separadores FWKO, pues la herramienta est orientada a realizar balances de masa y anlisis de sistemas de manera global. Adicionalmente la licencia del Aspen Hysis puede superar los cien mil dlares. NATCO (National Tank Company), fundado en 1926, ubicado en la vanguardia a nivel mundial en equipos para tratamiento de hidrocarburo, cuenta con una herramienta de simulacin no comercial, es decir, para uso exclusivo de NATCO, llamada CFPM (Computational Fluid Dynamics Modeling) que es para anlisis dinmico de equipos como los FWKO, previo a su fabricacin. En etapa de ingeniera, estos equipos se dimensionan con la utilizacin de hojas electrnicas que incorporan clculos y macros internos. Estas hojas electrnicas fueron desarrolladas por empresas de ingeniera y en la mayora de casos se desconoce su procedencia, la caracterstica de todas ellas es que su aplicacin requiere de una familiarizacin previa de los mtodos por parte del experto y una validacin por parte del fiscalizador de la ingeniera, esta familiarizacin y validacin en ocasiones no es sencilla y demanda de tiempo extra. Estas herramientas existentes, en muchos casos, no agrupan criterios ni medidas estandarizadas. Otra desventaja que presentan las hojas electrnicas es que no permiten su evaluacin dinmica, es decir, variando el flujo de gas, crudo y agua a la entrada, lo que limita su diseo. Este proyecto propone el desarrollo de una herramienta que permita la simulacin dinmica y compile los criterios utilizados para disear un FWKO, pues sera de gran utilidad para reducir errores de diseo y prever condiciones adversas operativa antes de su construccin. 2

6. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMA: Para disear un FWKO se deben realizar una serie de clculos iterantes, multivariables y especificar dimensiones estandarizadas. Para esto se utiliza herramientas de clculo en hojas electrnicas que no siempre cuentan con una base de datos que ayuden al diseador, tampoco permiten el anlisis dinmico y requieren de una previa familiarizacin y validacin. Estas limitaciones pueden llevar a errores en la especificacin del separador, errores que rara vez son identificados en la etapa de construccin, y que son evidentes en la etapa de operacin.

7. OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS ESPECFICOS: (Evaluables) a. OBJETIVO GENERAL Desarrollar una herramienta virtual que permita el diseo y el anlisis dinmico, adems de la simulacin de control para separadores horizontales de agua libre.

b. OBJETIVOS ESPECIFICOS Compilar y organizar el mtodo de clculo en estado estacionario y dinmico de un FWKO. Elaborar reportes de diseo de FWKO. Obtener de curvas de comportamiento dinmico. Probar lazos de control implementados al sistema dinmico.

8. ESTADO DEL ARTE El comportamiento de separacin de gas asociado, crudo y agua es completamente conocido, y responden a la ley de Newton y ley de Stokes [1]. Adicional a las leyes fsicas que gobiernan el comportamiento de separacin, existen consideraciones de deshidratacin que se utilizan en la industria petrolera, tal es el caso de la publicacin de la API 12J [2], cubre los requerimientos mnimos para el diseo, fabricacin y compra. Algunos fabricantes de FWKO como NATCO, organizaciones como GPSA[1] y operadoras como SHELL, tienen publicaciones de estudios realizados tiles a la hora de realizar suposiciones para el diseo.

3

Las especificaciones mecnicas que deben cumplir los equipos de separacin se ajustan a criterios y dimensiones estandarizadas, el diseador utiliza stos datos para facilitar su construccin. En la tabla No. 1 se resumen los grupos involucrados y sus caractersticas: Tabla No. 1 Grupos involucrados INTERESES INGENIERA Diseo confiable Mayor FABRICANTE para construccin Puesta COMISIONADO en detalle la PROBLEMAS Clculo multivariable Detalle no preciso de internos y bocas RECURSOS iterante Hojas electrnicas (Excel) Planos de diseo y hojas de datos de especificaciones Procedimientos, planos controladores programables Instrumentos, alternativas operativas y

marcha en el menor tiempo posible Operatibilidad

Condiciones inesperadas de entrada (baches), no linealidad Problemas de separacin que afecta el proceso, alarmas no deseadas,

OPERACIN

y

buen

desempeo

difcil operacin

A pesar de que los criterios y especificaciones de una entidad a otra son similares, la informacin est muy dispersa. Los clculos en muchos casos, no son confiables y las estimaciones de capacidad evaluadas por el cliente o dueo del equipo son de una manera emprica, segn la experiencia. Para reducir stos errores algunas (no todas) empresas invierten tiempo en validar los mtodos de clculo, esto implica replicar los resultados con varias hojas electrnicas.

9. CALCULO DE UN FWKO Las especificaciones de proceso de un FWKO corresponden a los datos de entrada para el clculo y son los siguientes: 4

Presin y Temperatura mxima de operacin Caudal mximo de lquido (Crudo + agua) y sus propiedades Flujo estndar de gas y sus propiedades Componentes corrosivos, H2S y CO2 Niveles operativos y alarmas (Total y de interfase) Longitud efectiva Tiempo de residencia Concentracin de agua en la emulsin a la salida Dimetro de partcula de hidrocarburo en agua a la salida Dimetro de partcula de hidrocarburo lquido en gas a la salida Las especificaciones mecnicas de un FWKO corresponden a los resultados del clculo y son los siguientes: Presin y temperatura de diseo Largo total Dimetro Ubicacin y alto del Interno Dimetro de bocas de entrada y salida Esbeltez Ubicacin de bocas para instrumentos Espesor Aislamiento (Si aplica) El clculo puede tener dos modalidades: Dimensionamiento El clculo requiere el ingreso de unas dimensiones hipotticas para iniciar el clculo, el algoritmo puede arrancar con un dato cualquiera y luego iterar hasta conseguir los parmetros requeridos por las especificaciones de procesos. Prueba nominal o Rating Para el Rating de un equipo existente, los datos de ingreso bsico son las dimensiones, a partir de all se puede someter a prueba el equipo ajustando algunos parmetros y probando otros. En el desarrollo del presente documento se muestra el clculo para el

dimensionamiento, el mismo es til para realizar un Rating. El clculo tiene 3 etapas, la carga de datos, los clculos intermedios y el reporte final. 5

PRIMERA ETAPA CARGA DE DATOS Y ESPECIFICACIONES Los datos que se ingresan para el clculo son los siguientes: , , ,

Gas

Crudo ,

:

, ,

, Agua

60 ,

/ , ,

Las dems propiedades del agua, como la viscosidad y densidad se establecen segn las condiciones operativas de presin y temperatura en una base de datos propia del programa. Las especificaciones que se asumen como predeterminados para el clculo son los siguientes: ;

El tiempo de residencia se estima segn la gravedad API y la siguiente tabla: API Sobre 35 +100 F Bajo 35 +80 F +60 F Minutos 3a5 5 a 10 10 a 20 20 a 30

6

;

; ; ;

El dimetro inicial del recipiente se establece segn la presin de operacin, la longitud, la esbeltez y la estandarizacin que se muestran en las siguientes tablas:

Dimetros Estndares [in] 20 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 [mm] 508 610 762 914 1067 1219 1372 1524 1676 1829 1981 2134 2286 [in] 96 102 108 114 120 126 132 138 144 150 156 162 168 [mm] 2438 2591 2743 2896 3048 3200 3353 3505 3658 3810 3962 4115 4267

Presin de operacin [Barg] P