Análisis técnico económico de la tecnología del transporte de crudo pesado calentamiento por inducción electromagnética para el crudo Castilla usando simulador de procesos HYSYS | Technical economic analysis of the technology of transporting heavy crude oil by electromagnetic induction heating for Castilla crude oil using HYSYS process simulator

Las reservas de crudo convencional han venido presentando una declinación en los últimos años. Es por ello que los crudos pesados son tenidos en cuenta como recurso energético, sin embargo, la problemática de transportar este crudo por oleoducto se debe a la alta viscosidad dificultando el flujo y encareciendo los costos operacionales y los requerimientos de inversión. Debido al aumento de la producción de crudos pesados, se hace necesario contar con una tecnología de transporte de crudo que garantice un proceso óptimo, seguro y al menor costo. El calentamiento por inducción electromagnética consiste en la transformación de energía electromagnética en energía térmica. Sin embargo, su aplicación en la industria petrolera se usa como fuente de energía para la recuperación mejorada de petróleo. La producción de calor mediante inducción electromagnética es un método en el que una corriente alterna que fluye a través de una bobina de inducción genera un campo magnético que varía en función de la frecuencia. El campo se concentra en el área de la bobina; mientras que su magnitud depende de la fuerza de la corriente y el número de espiras en la bobina. El objetivo general de este trabajo es evaluar tanto técnica como económicamente la tecnología del transporte de crudo pesado calentamiento por inducción electromagnética para compararlas con las alternativas de: dilución, viscorreducción y upgrading (proyecto realizado por el ingeniero Danilo Flórez), basado en parámetros energéticos y eléctricos realizados en COMSOL para luego ser usados en HYSYS y así comparar las tecnologías descritas para el transporte de crudo pesado aplicado al oleoducto central de Ocensa y los crudos Castilla y Rubiales. Asimismo, permiten concluir que la tecnología de calentamiento por inducción electromagnética es más eficiente que la tecnología de dilución para el transporte de crudo pesado por tubería en el oleoducto central. Finalmente se propone realizar un posterior estudio de la provisión de energía hacia la bobina y así realizar una comparación de cual opción es más óptima, segura y de menor costo.

INTRODUCCIÓN 17 DISEÑO METODOLÓGICO 20 1. GENERALIDADES DE LOS CRUDOS PESADOS 23 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CRUDOS 23 1.2 INVENTARIO MUNDIAL Y NACIONAL DE LOS CRUDOS PESADOS 23 1.3 CARACTERÍSTICAS QUE DEBE TENER UN CRUDO PESADO PARA SER TRANSPORTADO POR TUBERÍA 26 1.4 TUBERÍAS PARA CRUDOS PESADOS 27 1.5 PROPIEDADES DE LOS CRUDOS PESADOS 28 1.5.1 DENSIDAD 28 1.5.2 VISCOSIDAD DE LOS CRUDOS PESADOS 28 1.5.2.1 VISCOSIDAD ABSOLUTA O DINÁMICA 29 1.5.2.2 VISCOSIDAD CINEMÁTICA 30 1.5.3 RELACIÓN VISCOSIDAD – TEMPERATURA 30 2. TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE DE CRUDO PESADO 32 2.1. DILUCIÓN 34 2.2 EMULSIÓN 35 2.3 FLUJO ANULAR 36 2.4 CALENTAMIENTO 37 2.4.1 CALENTAMIENTO EN UN PUNTO (“SPOT HEATING”) 38 2.4.2 CALENTAMIENTO A LO LARGO DE UNA LÍNEA (“LINE HEATING”) 38 2.4.3 CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 39 3. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 41 3.1 ANTECEDENTES DE LA TECNOLOGÍA DE CALENTAMIENTO INDUCTIVO 41 3.2 FENÓMENOS FÍSICOS Y ELÉCTRICOS DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 45 3.2.1 LEY DE COULOMB 45 3.2.2 LEY DE GAUSS 46 3.2.3 LEY DE AMPERE 46 3.2.4 LEY DE FARADAY 46 3.2.5 LEY DE LENZ 47 3.2.6 CORRIENTES DE FOUCAULT 47 3.3 PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO INDUCTIVO 48 3.3.1 PÉRDIDAS POR CORRIENTES PARÁSITAS Y PÉRDIDAS POR EFECTO JOULE 52 3.3.2 PÉRDIDAS POR HISTÉRESIS 52 3.3.3 EFECTO PIEL 53 3.4 TEORÍA PERFIL CALENTAMIENTO ELECTROMAGNÉTICO 53 3.5 EQUIPO PARA EL CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN 56 3.6 SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN CONVENCIONALES Y NO CONVENCIONALES USADOS PARA EL CALENTAMIENTO INDUCTIVO 57 3.6.1 SISTEMAS CONECTADOS DIRECTAMENTE A LA RED (50HZ-60HZ) 57 3.6.2 SISTEMAS DE MEDIA FRECUENCIA (500HZ-10KHZ) 57 3.7 DISEÑO BÁSICO DE INDUCTORES 57 3.7.1 PRINCIPIOS DE FABRICACIÓN 57 3.7.2 FRECUENCIA DE RESONANCIA 59 3.8 SISTEMA ELÉCTRICO PARA CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 61 3.8.1 CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA 63 3.8.2 CÁLCULO DE LA RESISTENCIA EQUIVALENTE 63 3.8.3 ENERGÍA Y EL CAMPO MAGNÉTICO 64 4 MODELAMIENTO DE LA FENÓMENOS DE UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO INDUCTIVO 66 4.1 FENÓMENO TÉRMICO Y ELECTROMAGNÉTICO 66 4.1.1 MODELAMIENTO ELECTROMAGNÉTICO 66 4.1.2 MODELAMIENTO TÉRMICO 68 4.2 SIMPLIFICACIÓN A PARÁMETROS DELIMITADOS 69 4.2.1 SUBSISTEMA TÉRMICO 69 4.2.2 SUBSISTEMA ELÉCTRICO 71 5 DISEÑO DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA USANDO SOFTWARE COMSOL 74 5.1 MODELADO MATEMÁTICO DEL SISTEMA 74 5.1.1 DESCRIPCIÓN DEL MODELO 74 5.1.2 RANGOS DE VARIACIÓN DE LOS PARÁMETROS 75 5.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS 76 5.2.1 SIMULACIÓN 76 5.3.2 BOBINA DE INDUCCIÓN 79 5.4 PARÁMETROS ELÉCTRICOS 80 5.4.1 MODELO PARA SIMULACIÓN 81 5.4.2 CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS 82 5.4.3 CALCULO DE FRECUENCIA DE TRABAJO 83 5.4.4 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 84 6. SIMULACIÓN DEL TRANSPORTE DE CRUDO USANDO SOFTWARE HYSYS V8.6 86 6.1 OLEODUCTO BASE 86 6.2 CARACTERIZACIÓN Y ENSAYO DE LOS CRUDOS CASTILLA 87 6.3 SIMULACIÓN DEL CALENTAMIENTO Y TRANSPORTE DE CRUDO 92 6.3.1 RESULTADOS SIMULACIÓN POR CALENTAMIENTO Y TRANSPORTE DE CRUDO 96 7. ANÁLISIS PRELIMINAR DE LA POSIBILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN DE LA HERRAMIENTA DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA PARA TRANSPORTE DE CRUDO PESADO 100 7.1 COSTOS DE LA TECNOLOGÍA 100 7.2 FLUJO DE CAJA TECNOLOGÍA CALENTAMIENTO 101 7.3 COMPARACIÓN DE LAS RENTABILIDADES DE LOS PROYECTOS 104 8. CONCLUSIONES 105 BIBLIOGRAFIA 106 ANEXOS 109

Pregrado

Conventional oil reserves have been presented a decline in recent years. That is why heavy crudes are taken into account as an energy resource, however the problem of transport this crude oil pipeline is due to the high viscosity hindering the flow and more expensive operating costs and investment requirements. Due to increased heavy oil production, it becomes necessary to have a transport technology to ensure optimal crude, security and lower cost process. The electromagnetic induction heating is the transformation of electromagnetic energy into thermal energy. However, its application in the oil industry used as an energy source for enhanced oil recovery. Producing heat by electromagnetic induction is a method in which an alternating current flowing through an induction coil generating a magnetic field that varies depending on the frequency. It is concentrated in the area of the coil; while its magnitude depends on the current strength and the number of turns in the coil. The overall objective of this work is evaluate technically and economically transport technology of heavy oil electromagnetic induction heating and compare with alternatives: dilution, visbreaking and upgrading (project by the engineer Danilo Flórez), based on energy and electric parameters made in COMSOL then be used in HYSYS and thus compare the technologies described for the transport of heavy oil applied to the central Ocensa pipeline and Castilla and Rubiales crude. Also they support the conclusion that technology electromagnetic induction heating is more efficient than dilution technology for transporting heavy crude pipeline in the central pipeline. Finally it is proposed to carry out a further study of the energy supply to the coil and thus a comparison which option is more optimal, safe and lower cost.

Modalidad Presencial