DESARROLLO DE HERRAMIENTA DE SIMULACI´ON PARA

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  • DESARROLLO DE HERRAMIENTA DESIMULACION PARA EQUIPOS SEPARADORES

    DE AGUA LIBRE

    Francisco Javier Andrade Rodrguez

    Universidad Nacional de ColombiaFacultad de Ingeniera, Maestra en Automatizacion Industrial

    Bogota, Colombia2012

  • DESARROLLO DE HERRAMIENTA DESIMULACION PARA EQUIPOS SEPARADORES

    DE AGUA LIBRE

    Francisco Javier Andrade Rodrguez

    Tesis de grado presentada como requisito parcial para optar al ttulo de:Magister en Automatizacion Industrial

    Director(a):Ph.D., Oscar G. Duarte V.

    Lnea de Investigacion:Automatizacion Industrial

    Universidad Nacional de ColombiaFacultad de Ingeniera, Maestra en Automatizacion Industrial

    Bogota, Colombia2012

  • Dedicatoria

    A mi esposa y a mi hijo

  • Agradecimientos

    Al profesor Oscar Duarte, por aceptar el reto.A la Universidad Nacional de Colombia, a su cuerpo docente y administrativo por darmela oportunidad.A la Republica de Colombia, a sus instituciones y a su gente por abrirme las puertas.A Dios.

  • Resumen

    Para el calculo de separadores de agua libre, se presentan dificultades antes, durante ydespues de la etapa de diseno, inicialmente la informacion requerida esta muy dispersa,los tiempos de ejecucion cada vez son mas cortos y los errores nunca se corrigen durantela construccion. En este trabajo se obtuvo una herramienta de simulacion que utiliza unalgoritmo basado en las buenas practicas de ingeniera en tema de separadores y permitela iteracion dinamica de las variables principales. El diseno incorpora algunas solucionesalgebraicas y un procedimiento novedoso de optimizacion para el dimensionamiento derecipientes. Adicionalmente se propuso un procedimiento para enlazar OpenModelica pormedio de formularios, generando un interfaz amigable que permite el ingreso de la informa-cion indispensable en el diseno, analisis de desempeno y simulacion dinamica de FWKO,reduciendo los tiempos de ejecucion y permitiendo el analisis de desempeno a diferentescondiciones de operacion.

    FWKO, optimizacion de recipientes, simulacion, dinamica, OpenModelica, control

    PID.

    Abstract

    For the calculation of free water separators, difficulties arise before, during and afterthe design stage, initially the information required is highly dispersed, the execution timesare becoming shorter and never errors are corrected during construction. In this work weobtained a simulation tool that uses an algorithm based on good engineering practice inabout FWKO and allows dynamic iteration of the main variables. The design incorporatessome algebraic solutions and a new method for the design optimization of FWKO ves-sels. Additionally, proposed a procedure to link OpenModelica through forms, creating afriendly interface that allows the entry of essential information in the design, performanceanalysis and dynamic simulation of FWKO, reducing run times and enabling performanceanalysis of various operating conditions.

    FWKO, vessel optimization, simulation, dynamic OpenModelica, PID control

    v

  • Indice general

    Agradecimientos IV

    Resumen V

    1. Introduccion 11.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    2. Marco Teorico 52.1. El Petroleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.1.1. La Industria del Petroleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2. Facilidades de Superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.3. Diseno de FWKO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4. Estimacion de Condiciones y Propiedades . . . . . . . . . . . . . . 72.1.5. Condiciones Base y Condiciones Actuales . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.6. Propiedades del Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.7. Propiedades del Crudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.8. Propiedades de la Emulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.9. Propiedades del Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.2. Diseno de FWKO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.1. Consideraciones Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2. Tiempo de Residencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.3. Estimacion del Diametro de Partcula . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.4. Aspectos Constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    2.3. Metodos de Diseno de Separadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.3.1. Diseno Segun K. Arnold & M. Stewart . . . . . . . . . . . . . . . . 382.3.2. Diseno Segun Monnery and Svrcek, 1994 . . . . . . . . . . . . . . . 422.3.3. Diseno Segun J. Couper & R. Penney . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.3.4. Diseno Segun GPSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.3.5. Diseno Segun F. Manning & R. Thompson . . . . . . . . . . . . . . 49

    2.4. Analisis Dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.4.1. Estado del Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.4.2. Perspectiva Utilitaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.4.3. Teora Asociada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.4.4. Analisis Dinamico de FWKO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    vi

  • Indice general

    3. Propuesta 623.1. Diseno Propuesto de FWKO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    3.1.1. Consideraciones Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.1.2. Estimacion de Condiciones y Propiedades . . . . . . . . . . . . . . 623.1.3. Calculos Complementarios Propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . 683.1.4. Comparacion Entre Metodos de Optimizacion . . . . . . . . . . . . 713.1.5. Algoritmo Propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.1.6. Analisis de Desempeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.1.7. Reporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

    3.2. Sistema Dinamico Propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.2.1. Consideraciones Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.2.2. Por que? o Para que? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.2.3. En que? o Sobre que? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.2.4. Como? o De que manera? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.2.5. Desarrollo del Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.2.6. Condiciones iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.2.7. Dinamica de la Valvula de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.2.8. Perturbaciones de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

    4. Implementacion en Modelica 1014.1. Caractersticas de Modelica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

    4.1.1. Herencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.1.2. No Causalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.1.3. Conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.1.4. Compilacion en ((C)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    4.2. Estado Dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.2.1. Aspectos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.2.2. Conectividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

    5. Interfaz con el Usuario 1075.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.2. Manejo de Archivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.3. Enlace con Excel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.4. Interfaz en Visual Basic para Diseno y Desempeno . . . . . . . . . . . . . . 1105.5. Interfaz en Visual Basic para Analisis Dinamico . . . . . . . . . . . . . . . 111

    6. Caso de Estudio 1126.1. Propiedades y Condiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

    6.1.1. Datos de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.1.2. Datos de Salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

    6.2. Diseno de FWKO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.2.1. Datos de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

    vii

  • Indice general

    6.2.2. Dimensiones del Equipo para Esbeltez Optima . . . . . . . . . . . . 1176.2.3. Dimensiones del Equipo para Esbeltez no Optima . . . . . . . . . . 1206.2.4. Comparacion de Resultados con AspenHysys . . . . . . . . . . . . . 121

    6.3. Desempeno Operativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.3.1. Bajo condiciones de diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.3.2. Bajo otras condiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

    6.4. Analisis Dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.4.1. Configuracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.4.2. Perturbaciones de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356.4.3. Dimensionamiento de Valvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

    7. Conclusiones y Recomendaciones 1447.1. Conclusiones y Aportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1447.2. Trabajos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

    A. Caso de Estudio 147

    B. Codigo en Modelica de Algortmo 156

    C. Codigo en Modelica de Dinamica 162

    D. Hoja de Datos 173

    E. Coeficiente Cv de Valvulas de control 176

    F. ((Technical Papers)) Ganadores 178

    G. Numeros Adimensionales 180

    viii

  • Indice de tablas