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Universidad Nacional de Colombia
Tesis de Maestría
Automatización Industrial
DESARROLLO DE
HERRAMIENTA DE
SIMULACIÓN PARA EQUIPOS
SEPARADORES DE AGUA
LIBRE
Francisco Javier Andrade Rodríguez
Director:
Profesor Oscar Germán Duarte Velasco PhD.
1
Contenido
•
•
•
•
•
•
•
Introducción
Problema
Objetivos
Retos
Resultados
Trabajos futuros
Conclusión
2
Introducción
Facilidades de superficie
Sistema
de Gas
Deshidratación
primaria:
FWKO
Pozos:
Gas, Crudo,
Agua
Deshidratación
secundaria
Crudo a
venta
Sistema de
Agua
3
Introducción
Separadores en las facilidades de superficie
Verticales
Separadores Horizontales
gravimétricos
Bifásicos
Otros
Trifásicos
Separadores de agua
libre (FWKO)
Inclinados
4
Introducción
Separadores de agua libre FWKO
5
Problema
Cálculo de separadores de agua libre:
Después
Durante
Antes
6
Problema
ANTES
• Datos de campo y no de
ingeniería.
• Metodologías basadas en la
misma teoría pero con enfoques
diferentes.
• Criterios, recomendaciones,
buenas prácticas, valores
estandarizados no siempre están
a la mano.
Información
dispersa, incompleta
e imprecisa.
7
Problema
DURANTE
• El tiempo es más
importante que los
resultados.
• Presupuestos tempranos
en base a conceptuales
incompletas.
• Inexperiencia en el diseño.
Tiempo de ejecución
y evaluación de
resultados.
8
Problema
DESPUÉS
• Lo que se suelda no se corta
antes de cortar cabezas.
• El cliente confía que el
constructor corregirá errores.
• Los errores de diseño no se
detectan durante la
construcción.
Información incompleta
antes o durante la
construcción.
9
Objetivos
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar una herramienta de simulación que permita
el diseño y el análisis dinámico, además de la simulación
de control para separadores horizontales de agua libre.
10
Objetivos
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Compilar y organizar los
métodos de cálculo de
FWKO en estado
estacionario incluyendo
normas técnicas y
buenas prácticas de
ingeniería.
Primer objetivo
específico
11
Objetivos
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Implementar una
metodología de diseño
y caracterización de
equipos en diferentes
condiciones de
operación.
Segundo objetivo
específico
12
Objetivos
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Desarrollar un modelo
dinámico de un FWKO
donde se pueda simular
el comportamiento del
FWKO con lazos de
control.
Tercer objetivo
específico
13
Retos
PRIMER OBJETIVO ESPECÍFICO
• Se investigó sobre el
estado del arte en el
diseño de FWKO.
• Se establecieron los
fundamentos teóricos
que soportan el diseño.
Compilar los métodos,
procedimientos y
recomendaciones
14
Retos
SEGUNDO OBJETIVO ESPECÍFICO
• Se desarrollaron soluciones
algebraicas.
• Se desarrolló un modelo
nuevo para optimizar el peso
del recipiente.
• Se estableció un algoritmo de
cálculo basado en la
experiencia.
Desarrollar una
metodología de diseño
y análisis de desempeño
15
Retos
SEGUNDO OBJETIVO ESPECÍFICO
• Se crearon librerías sobre
OpenModelica que asocia el
cálculo de propiedades,
dimensionamiento y análisis
de desempeño.
• Se probaron los modelos con
resultados históricos y en
hojas electrónicas patrón.
Desarrollar una
metodología de diseño
y análisis de desempeño
16
Retos
TERCER OBJETIVO ESPECÍFICO
• Se realizó un balance de
masa en función de las
corrientes, presión y
niveles del separador.
• Se caracterizó a cada
clase asociada al
equipo.
Desarrollar un modelo
dinámico que permita
simular lazos de control
17
Retos
TERCER OBJETIVO ESPECÍFICO
• Se definió una
metodología para
calcular las condiciones
iniciales para la presión,
nivel de agua en la
separación y nivel en el
lado crudo.
Condiciones
iniciales
18
Retos
TERCER OBJETIVO ESPECÍFICO
• Se modeló cada clase: el
separador, las válvulas,
los controles y sus
respectivos conectores.
• Se desarrolló una interfaz
entre el ejecutable de
OM y el VB de “Excel”.
Desarrollar un modelo
dinámico que permita
simular lazos de control
19
Resultados
CÁLCULO DE PROPIEDADES
Gas
Agua
Crudo
20
Resultados
CÁLCULO DE GEOMETRÍA
Pesos
Espesores
Dimensiones
21
Resultados
CASO DE ESTUDIO
DATO
UNIDAD
VALOR
Temperatura
°F
90
Presión
Psig
35
GOR
Scfd/bopd
70
Flujo de crudo
BOPD
1451
Corte de agua
%BSW
96.37
API
°API
31.7
22
Resultados
CÁLCULO DE GEOMETRÍA
Caso
AspenHYSYS
Aplicación
BOPD
BSW
Ø, ft
Long, ft
Ø, ft
Long, ft
1
1451
96.37
8.5*
34.85
9.0
31.14
2
3500
90
8.5
32.47
8.5
31.01
3
500
98.21
7.5
33.75
7.5
32.55
*No cumple con criterio de velocidad de líquidos según recomendación de buena práctica.
Estado*
Peso No Opt.,lb
Peso Opt.,lb
ΔPeso, lb
ΔPeso, %
Vacío
66975
58716
8259
14.1
Operativo
184020
169720
14300
8.4
Lleno
214542
206283
8259
4.0
*Según dimensiones calculadas por la aplicación para el caso 1.
23
Resultados
ANÁLISIS DE DESEMPEÑO
Gas
Crudo
Agua
Gotas de
líquido
Gotas de
agua
Gotas de
crudo
Velocidad
de gas
Tiempo de
residencia
Tiempo de
residencia
Velocidad
de arrastre
Velocidad
de fluido
Velocidad
de fluido
24
Resultados
REDUCCIÓN DE TIEMPO DE EJECUCIÓN
Propiedades
Dimensiones
Desempeño
Ingeniería conceptual o básica
25
Resultados
REDUCCIÓN DE TIEMPO DE EJECUCIÓN
El diseño de un separador, le puede tomar a un
ingeniero con experiencia entre 3 y 4 días, con ésta
herramienta un ingeniero con menos experiencia
pero entrenado en el uso de la aplicación puede
demorar 2 a 3 horas para tener varios cálculos al
tiempo. Esta gran ayuda hizo que la publicación en la
empresa PDE se premie con el primer lugar en un
concurso de “Technical Papers” interno.
26
Resultados
DINÁMICA
Lazos de control
Perturbaciones de
entrada
Válvulas de control
Datos del
equipo
Condiciones
de proceso
Condiciones
iniciales
27
Resultados
Análisis dinámico
45
40
35
30
25
Presión, psi
20
Nivel[oil], ft
LCV[oil], Cv
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
Tiempo, min
28
Resultados
INTERFAZ
.exe
.txt
.bat
Excel y VB
29
Resultados
INTERFAZ
La iniciativa de utilizar el interfaz (Excel-OM) para
proteger y estandarizar los procedimientos de
cálculo de la empresa fue premiado con el segundo
lugar en los “Technical Paper”.
30
Trabajos futuros
•Se pueden implementar procedimientos de autosintonía o incluso diseñar otro tipo de
controladores.
•El código desarrollado en modélica se lo puede
probar y optimizar utilizando otras herramientas de
compilación como por ejemplo “Dymola”.
•El modelamiento con conectores puede ser
utilizado para desarrollar librerías que permitan su
aplicación a otros sistemas hidráulicos o incluso de
equilibrio líquido - vapor.
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Trabajos futuros
•Los modelos dinámicos desarrollados pueden ser
verificados con datos de campo.
•El trabajo se puede ampliar mejorando la interfaz
gráfica de las curvas dinámicas, en lugar de utilizar
“Excel” se puede probar otro software
multiplataforma más amigable para mostrar en
planos X-Y los resultados dinámicos.
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Conclusión
Los objetivos planteados para este trabajo se han
cumplido y se obtuvieron algunos resultados
adicionales que han superado las expectativas.
Actualmente la aplicación tiene muy buena acogida, es
una herramienta de cálculo referencial para el diseño y
análisis de desempeño de separadores y es el punto de
partida para versiones mejoradas.
33
Agradecimientos
Al profesor Oscar Duarte, por aceptar el reto.
A la Universidad Nacional de Colombia, a su cuerpo
docente y administrativo por darme la oportunidad.
A la República de Colombia, a sus instituciones y a su
gente por abrirme las puertas.
A Dios.
34
Final
GRACIAS
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Tesis de Maestría
Automatización Industrial
DESARROLLO DE
HERRAMIENTA DE
SIMULACIÓN PARA EQUIPOS
SEPARADORES DE AGUA
LIBRE
Francisco Javier Andrade Rodríguez
Director:
Profesor Oscar Germán Duarte Velasco PhD.
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