Francisco Javier Andrade Rodríguez 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.

Contenido Introducción Problema Objetivos Retos Resultados Trabajos futuros Conclusión

Introducción Facilidades de superficie Sistema de Gas Deshidratación primaria: FWKO Deshidratación secundaria Crudo a venta Pozos: Gas, Crudo, Agua Sistema de Agua

Separadores en las facilidades de superficie Introducción Separadores en las facilidades de superficie Verticales Bifásicos Separadores gravimétricos Horizontales Otros Trifásicos Separadores de agua libre (FWKO) Inclinados

Separadores de agua libre FWKO Introducción Separadores de agua libre FWKO

Cálculo de separadores de agua libre: Problema Cálculo de separadores de agua libre: Antes Durante Después

Problema ANTES Información dispersa, incompleta e imprecisa. 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.

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.

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.

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.

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

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Implementar una metodología de diseño y caracterización de equipos en diferentes condiciones de operación. Segundo objetivo específico

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Desarrollar un modelo dinámico de un FWKO donde se pueda simular el comportamiento del FWKO con lazos de control. Tercer objetivo específico

PRIMER OBJETIVO ESPECÍFICO 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

SEGUNDO OBJETIVO ESPECÍFICO 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

SEGUNDO OBJETIVO ESPECÍFICO 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

TERCER OBJETIVO ESPECÍFICO 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

TERCER OBJETIVO ESPECÍFICO 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

TERCER OBJETIVO ESPECÍFICO 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

CÁLCULO DE PROPIEDADES Resultados CÁLCULO DE PROPIEDADES Gas Crudo Agua

Resultados CÁLCULO DE GEOMETRÍA Pesos Espesores Dimensiones

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

Resultados CÁLCULO DE GEOMETRÍA Caso AspenHYSYS Aplicación BOPD BSW Ø, ft Long, ft 1 1451 96.37 8.5* 34.85 9.0 31.14 2 3500 90 8.5 32.47 31.01 3 500 98.21 7.5 33.75 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 4.0 *Según dimensiones calculadas por la aplicación para el caso 1.

Resultados ANÁLISIS DE DESEMPEÑO Gas Crudo Agua Gotas de líquido Velocidad de gas Velocidad de arrastre Gas Gotas de agua Tiempo de residencia Velocidad de fluido Crudo Gotas de crudo Agua

Resultados REDUCCIÓN DE TIEMPO DE EJECUCIÓN Ingeniería conceptual o básica Desempeño Dimensiones Propiedades

REDUCCIÓN DE TIEMPO DE EJECUCIÓN 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.

Resultados DINÁMICA Lazos de control Perturbaciones de entrada Válvulas de control Datos del equipo Condiciones de proceso Condiciones iniciales

Resultados Análisis dinámico

Resultados INTERFAZ Excel y VB .bat .txt .exe

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”.

Trabajos futuros Se pueden implementar procedimientos de auto-sintonía 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.

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.

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.

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.

Final GRACIAS

Francisco Javier Andrade Rodríguez 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.