Informe de Seminario para optar al grado de Licenciado en Historia

Presenta el tratamiento químico mediante sustancias demulsificantes que se aplicaron al petróleo crudo en los tanques de almacenamiento de la Estación 11 del Oleoducto Norperuano conocido como Terminal Bayovar en el departamento de Piura. Se realizaron ensayos de caracterización de acuerdo a las normas ASTM y API, para determinar la gravedad API, el porcentaje de agua y sedimentos, la cantidad de sal, y el porcentaje de azufre. Asimismo, se analizó la capacidad de las sustancias químicas demulsificantes para remover el agua del crudo, en función de los parámetros dosificación, tiempo y temperatura.

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Doctor en Sistemas de Ingeniería / This thesis is compused by two research projects developed at Empresa Nacional del petroleo, ENAP. In the first part of this thesis we present an optimization framework for determining the optimal schedule for a fleet of tankers delivering refined petroleum products for ENAP, a state-owned company in Chile. The scheduling process addresses the distribution task of satisfying the demand for multiple products to multiple clients while minimizing the overall cost. These clients have different storage capacities and are located near ports along the coast. The optimization model is an exact one, based on defining each leg of each trip for each tanker. It was however a very large scale MIP model unsolvable using a commercial code (Node Model). We generated an approximate model based on a set of feasible routes for each tanker. This model make the problem more tractable and provides good feasible solutions (Routes model). The best solution is used as a hot start for the original Node Model, allowing its solution with very low residual gaps in moderate computer times. This two-step approach was implemented and has been used at ENAP since 2015. A graphical user interface provides a friendly format for the schedulers. The new system replaces the manual process that was used in the past. It has been a milestone change at ENAP and it is currently saving 8-9% of the total operational cost for the maritime distribution system. In the second part of this work we describe the creation, development, implementation and impact of a system optimizing the distribution of petroleum products by pipeline at ENAP. Scheduling used to be done by hand, based on experience and on the need to satisfy physical constraints in the pipeline, supply constraints in and out of the refinery and demand constraints from clients. The complexity of the problem and the need to cut down on operating costs suggested turning to optimization, specifically integer programming. The positive results of the project owe a lot to the constant interaction between schedulers, deciders, and the optimization team, and to the insights provided by the schedulers that allowed to limit the model's complexity. The resulting system is easy to use for schedulers thanks to a graphical user interface (GUI), and its solution requires little computer time. It is used once a month for planning the next month operations and negotiating delivery dates and amounts with the clients based on the solution suggested by the model. Operating cost savings are of the order of 10%. The system has also been used to evaluate an alternative distribution approach. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Conicyt, Programa de Atracción e Inserción de Capital Humano Avanzado, 7813110023

La detección y localización de fugas en ductos de transporte de crudo de petróleo es un tema de suma relevancia debido a que estos eventos conllevan a cuantiosas pérdidas a nivel económico, contaminación ambiental y conflictos sociales. Este estudio propone el diseño de un sistema de detección y localización de fugas basado en el Filtro de Kalman Extendido aplicado a un modelo no lineal en tiempo discreto con ruido de medición y proceso correlacionado. Se desarrolla la solución numérica del modelo matemático para el transporte de crudo de petróleo en el Tramo I del Oleoducto Norperuano (ONP), considerando; el perfil hidráulico, las características físicas del ducto y las propiedades del crudo transportado, empleando el método de características (MOC), método que facilita la implementación del modelo sobre un controlador industrial. La simulación del algoritmo de detección de fugas considera las mediciones de los sensores de presión y flujo en los extremos del oleoducto, y junto al filtro diseñado garantizan un error porcentual en la ubicación de fuga igual a 0.918 % (169.27 metros) y un error porcentual en la magnitud igual a 1.028 % (4.53 xx 10-3 mm3/ss). Asimismo, se realizaron pruebas para magnitudes de fuga repentina del 1%, 2%, 5% y 10% con respecto al flujo nominal transportado en diferentes ubicaciones dentro del recorrido. Se concluye el trabajo con una propuesta de implementación del sistema de detección de fugas sobre un controlador PLC CompactLogix, de Allen Bradley, y las consideraciones para la interconexión con el sistema SCADA existente en la operación del Oleoducto Norperuano (ONP).

Este trabajo tiene como objetivo fundamental el desarrollo de un sistema de supervisión para una planta piloto de transporte de fluidos. El diseño se basó en las funciones básicas de un sistema SCADA, y aprovechar los beneficios que brindan estos sistemas. La planta piloto representa a pequeña escala, una red de tuberías para el transporte de fluidos, la cual ha sido implementada para emular el transporte de petróleo, ésta planta se encuentra ubicada en el Laboratorio de Control y Automatización de la Pontificia Universidad Católica del Perú. En este trabajo se realizaron trabajos experimentales en la instalación de la planta piloto, que permitieron familiarizarse con su instrumentación y funcionamiento, para luego poder identificar su comportamiento dinámico, principalmente la variación del flujo en sus tuberías representado mediante un modelo matemático, posteriormente se diseñó y simuló el sistema de supervisión en correspondencia con los requerimientos establecidos, finalmente se implementó el sistema de supervisión diseñado en la planta piloto. La implementación del sistema diseñado permitió supervisar el transporte de fluidos en la planta piloto, cumpliendo de manera satisfactoria los requerimientos en el contexto de un sistema SCADA. Se alcanzó el objetivo de la tesis, teniendo como resultado que el sistema de supervisión implementado permite controlar la operación de la planta piloto, recopilar información de las variables en tiempo real, así como detectar fallos en la tubería de transporte de fluidos y generar alertas o alarmas al operador.

En el presente trabajo se desarrolla un controlador de matriz dinámica (DMC) para el control de presión, en una planta piloto a escala de laboratorio para el transporte de fluidos que emula el comportamiento dinámico de un oleoducto, el cual posibilita aumentar la efectividad del sistema de control, así como reducir las roturas de los ductos, las fugas y los daños al medio ambiente. Se realiza una revisión del estado del arte de los sistemas de control de presión en oleoductos. Se efectúa la descripción de la planta piloto para el transporte de fluidos de la PUCP y la identificación del comportamiento dinámico de la presión en esta planta. Se diseña el controlador DMC en base al modelo matemático derivado, además se generan acciones de control y se realizan simulaciones para evaluar el desempeño del sistema. Se realiza un estudio comparativo para analizar la robustez y eficiencia del controlador DMC desarrollado vs PID. Los resultados de las simulaciones realizadas muestran que el controlador DMC diseñado exhibe un buen desempeño en el control de la presión en la planta objeto de estudio y, por consiguiente, constituye una solución eficiente y confiable para el control preciso de presión en oleoductos industriales reales, lo que posibilitará aumentar la eficiencia y la seguridad en el transporte de combustibles. / In this thesis, a Dynamic Matrix Controller (DMC) is developed for pressure control, in a laboratory-scale pilot plant for the transport of fluids that emulates the dynamic behavior of an oil pipeline, which makes it possible to increase the effectiveness of the control system, as well as reducing pipeline breaks, leaks and environmental damage. A review of the state of the art of pressure control systems in oil pipelines is carried out. The description of the pilot plant for the transport of fluids and the identification of the dynamic behavior of the pressure in this plant is developed. The DMC controller is designed based on the derived mathematical model, control actions are also generated and simulations are carried out to evaluate the performance of the control system. A comparative study is carried out to analyze the robustness and efficiency of the developed DMC vs PID controller. The results of the simulations carried out show that the designed DMC controller exhibits good performance in pressure control of the plant under study, and therefore, it constitutes an efficient and reliable solution for precise pressure control in real industrial oil pipelines, which will make it possible to increase efficiency and safety in oil transportation.

El fenómeno de un transitorio en oleoductos Ante un cambio en el régimen de operación en la instalación se generan ondas de presión, las cuales pueden originar la rotura de las cañerías del sistema y el consecuente derrame del fluido, causando perjuicios económicos y daño ecológico, posiblemente irreversible. El trabajo aquí desarrollado es de aplicación directa en estaciones de bombeo, oleoductos y acueductos, de características físicas variables. Se estudia en particular el efecto causado por el funcionamiento defectuoso o la operación incorrecta de válvulas, o bien la parada simultánea de una o más bombas de la estación de bombeo, durante el transporte a granel de petróleo crudo desde una estación marítima hacia el buque tanque. La utilización de métodos numéricos permite modelar la instalación física y simular el funcionamiento de las estaciones de embarque en su conjunto, encontrando, en forma aproximada, cuales serían los medios físicos a aplicar, o las condiciones de operación a observar, para evitar la rotura en alguna sección o tramo de la tubería de embarque, como así también la protección de los elementos contra posibles daños o roturas de las bombas o sistemas de control. En el trabajo se incluyen las ecuaciones simplificadas de Michaud y Joukowsky acopladas a las de Saint Venant, y las condiciones de estabilidad numérica, implementándose el Método de las Características para la solución del sistema de las ecuaciones hiperbólicas. Se simula el efecto de un transitorio en las bombas, determinando la incidencia de la inercia de las masas en rotación y los efectos de la rugosidad en el flujo del fluido, así como el rozamiento entre el fluido y la tubería para diferentes condiciones físicas. Como complemento, se modela una válvula del tipo de ruptura, cuya característica son ocho pétalos actuando en la sección de corte, y en el caso particular de doble acción, sugiriéndose su instalación como medio de prevención efectiva ante una sobre presión en la línea de transporte de fluido a granel. Los algoritmos de cálculo están en código FORTRAN 90 para la simulación numérica, estableciéndose las condiciones de trabajo y de contorno físicas reales e implícitamente las de estabilidad del sistema. Para la simulación del movimiento del fluido en el tramo de instalación de las válvulas de regulación y de éstas en particular, las válvulas de pétalo y compensada, se utiliza la respuesta del movimiento generado por 'frames', utilizando Mathematica ®3.0 y 3D Studio ®4.0; la información posteriormente es procesada con Adobe Photoshop ®4.0 y Adobe Premier®4.2. / Transients in engineering systems: pipelines, valves and pumps. Waves of pressure are generated with changes in the operation regime of the system which can cause the breaking of the pipe and the consequent spilling of the fluid, causing economic and ecological damage, possibly irreversible. The work here presented is of direct application to pumping stations for water and oil pipelines with variable physical characteristics. The effects studied include those caused by faults or incorrect operation of valves and the sudden stoppage of the pumping station, during the transport of crude oil, from a coastal storage to a ship. The use of numerical methods allows modeling the physical installation and simulating the operation of the oil pumping stations as a whole, finding the physical constraints to apply, or the operational conditions to observe, in order to avoid damages to the system components, and also to study safety elements that could avoid damages to the system. The calculation method proposed by Allievi is used, coupled with Saint Venat's equations and the simplified equations of Michaud and Joukowsky. The Method of Characteristics is also implemented for the solution of the system of the hyperbolic equations, with due consideration of the stability limits. The effect of the water hammer on the pumps is simulated, determining the incidence of the polar moment inertia of the rotating masses and of surface roughness on the flow, as well as the friction between the fluid and the pipe for different physical conditions. In addition, an eight-petal check valve is modeled, of the double-acting type, and its installation is recommended as a means of preventing spillage of fluid in case of a pipe break. The calculation algorithms for the numerical simulations are written in FORTRAN 90 Code and Mathematica ®3.0 Code, using as databases the technical specifications for the different types of valves and pumps and the installation data mentioned above. For the numerical simulation, the operating and boundary conditions are set as per the physical system, and system stability conditions are also included. For the flow simulation in the system section containing the regulation valves, and in particular the petal and compensated valves, the output of the generated motions of frames is used, applying Mathematica ®3.0, Corel ®7.0 and 3D Studio ®4.0. Later on the digital information is processed with Adobe Photoshop ®4.0 and Adobe Premier®4.2.

[ES] Durante la presente tesis doctoral se ha desarrollado un proceso de mejora parcial in-situ en superficie de un crudo extrapesado que ha permitido obtener un buen rendimiento a un crudo sintético que cumple con las especificaciones necesarias para ser transportado a través de un oleoducto, esto es, un crudo sintético con una gravedad API superior a 19, una viscosidad inferior a los 300 cSt y libre de asfaltenos. Además, se ha conseguido eliminar prácticamente el 99% en peso de los metales, níquel y vanadio, presentes en el crudo de partida, lo que facilita el posterior procesado de este crudo sintético en una refinería. Las reacciones necesarias para desarrollar este proceso se han llevado a cabo utilizado una unidad Micro-Downer (MDU). Dicha unidad consta de un reactor de lecho transportado descendente y permite obtener resultados a nivel de laboratorio similares a los que se obtendrían al procesar cualquier crudo en un reactor tipo FCC a escala industrial. Se han estudiado las condiciones de reacción (temperatura, tiempo de residencia y relación sólido a carga) más adecuadas para llevar a cabo el craqueo térmico de un crudo extrapesado en este tipo de reactores. Asimismo, se ha encontrado que entre varios materiales sólidos con diferentes propiedades ácidas y texturales, es con el caolín, una arcilla natural con un cierto grado de porosidad residual en su estructura cristalina, con el que se obtiene el mayor rendimiento a productos líquidos que cumplen los requisitos de densidad y viscosidad necesarios para poder ser transportados a través de un oleoducto. Estos resultados se han obtenido tras llevar a cabo la reacción en condiciones no severas (530ºC, 0,3 s de tiempo de residencia y una relación sólido a carga de 8 g g¿1), y que por tanto no requieren de un elevado gasto energético. En contrapartida, se ha detectado que con cada uno de los sólidos utilizados y en cualquiera de las condiciones de operación estudiadas, todos los crudos sintéticos recogidos son inestables con respecto a la floculación de los asfaltenos. Con el fin de subsanar esta limitación de la tesis doctoral, en el apartado siguiente se ha intentado eliminar la fracción de asfaltenos de los líquidos finales. Para ello se ha utilizado, ya sea como sustituto del caolín o como aditivo junto a él, un material sólido con actividad para el craqueo de fondo (BCA, del inglés Bottom Cracking Additive). De este modo se pretende eliminar esta fracción de asfaltenos mediante craqueo catalítico, dando lugar a la formación de otras fracciones más ligeras de crudo, y/o mediante reacciones de condensación dan- do lugar a la formación de coque. En este apartado ha quedado demostrado que la presencia de un cierto grado de acidez, aunque residual, en el sólido de intercambio de calor empleado para procesar un crudo extrapesado como el utilizado para realizar este estudio, conlleva un incremento en el rendimiento a coque cuya principal consecuencia es una importante bajada en el rendimiento a crudo sintético final sin que, en contrapartida, se consiga eliminar el problema de la presencia de asfaltenos en los líquidos finales. Tras comprobar que para obtener crudos sintéticos estables con respecto a la fioculación de los asfaltenos es necesario eliminar la fracción residuo, es decir, los hidrocarburos con puntos de ebullición superior a los 537ºC, el siguiente paso se ha centrado en encontrar una combinación de etapas con las que sea posible convertir, o reciclar hasta la extinción, esta fracción residuo. Con este fin se han ideado tres estrategias de procesos de mejora y se han llevado a cabo estimaciones teóricas que nos han permitido conocer la mejor estrategia de procesado para obtener el mayor rendimiento a crudo sintético estable. Finalmente, la validez de este nuevo procesos se ha estimado comparando estos resultados experimentales obtenidos a escala de laboratorio con los generados al procesar este mismo crudo extrapesado en una planta piloto de delayed coking. / [CA] Durant la present tesi doctoral s'ha desenvolupat un procés de millora parcial in-*situ en superfície d'un cru extrapesado que ha permès obtenir un bon rendiment a un cru sintètic que compleix amb les especificacions necessàries per a ser transportat a través d'un oleoducte, això és, un cru sintètic amb una gravetat API superior a 19, una viscositat inferior als 300 cSt i lliure de asfaltenos. A més, s'ha aconseguit eliminar pràcticament el 99% en pes dels metalls, níquel i vanadi, presents en el cru de partida, la qual cosa facilita el posterior processament d'aquest cru sintètic en una refineria. Les reaccions necessàries per a desenvolupar aquest procés s'han dut a terme utilitzat una unitat Micro-Downer (MDU). Aquesta unitat consta d'un reactor de llit transportat descendent i permet obtenir resultats a nivell de laboratori similars als que s'obtindrien en processar qualsevol cru en un reactor tipus FCC a escala industrial. S'han estudiat les condicions de reacció (temperatura, temps de residència i relació sòlid a càrrega) més adequades per a dur a terme el craqueig tèrmic d'un cru extrapesado en aquest tipus de reactors. Així mateix, s'ha trobat que entre diversos materials sòlids amb diferents propietats àcides i texturales, és amb el caolí, una argila natural amb un cert grau de porositat residual en la seua estructura cristal·lina, amb el qual s'obté el major rendiment a productes líquids que compleixen els requisits de densitat i viscositat necessaris per a poder ser transportats a través d'un oleoducte. Aquests resultats s'han obtingut després de dur a terme la reacció en condicions no severes (530 °C, 0,3 s de temps de residència i una relació sòlid a càrrega de 8 g g1), i que per tant no requereixen d'una elevada despesa energètica. En contrapartida, s'ha detectat que amb cadascun dels sòlids utilitzats i en qualsevol de les condicions d'operació estudiades, tots els crus sintètics arreplegats són inestables respecte a la floculació dels asfaltenos. Amb la finalitat d'esmenar aquesta limitació de la tesi doctoral, en l'apartat següent s'ha intentat eliminar la fracció de asfaltenos dels líquids finals. Per a això s'ha utilitzat, ja siga com a substitut del caolí o com a additiu al costat d'ell, un material sòlid amb activitat per al craqueig de fons (BCA, de l'anglès Bottom Cracking Additive). D'aquesta manera es pretén eliminar aquesta fracció de asfaltenos mitjançant craqueig catalític, donant lloc a la formació d'altres fraccions més lleugeres de cru, i/o mitjançant reaccions de condensació donen- do lloc a la formació de coc. En aquest apartat ha quedat demostrat que la presència d'un cert grau d'acidesa, encara que residual, en el sòlid d'intercanvi de calor emprada per a processar un cru extrapesado com l'utilitzat per a realitzar aquest estudi, comporta un increment en el rendiment a coc la principal conseqüència del qual és una important baixada en el rendiment a cru sintètic final sense que, en contrapartida, s'aconseguisca eliminar el problema de la presència de asfaltenos en els líquids finals. Després de comprovar que per a obtenir crus sintètics estables respecte a la fioculación dels asfaltenos és necessari eliminar la fracció residu, és a dir, els hidrocarburs amb punts d'ebullició superior als 537 °C, el següent pas s'ha centrat en trobar una combinació d'etapes amb les quals siga possible convertir, o reciclar fins a l'extinció, aquesta fracció residu. A aquest efecte s'han ideat tres estratègies de processos de millora i s'han dut a terme estimacions teòriques que ens han permès conèixer la millor estratègia de processament per a obtenir el major rendiment a cru sintètic estable. Finalment, la validesa d'aquest nou processos s'ha estimat comparant aquests resultats experimentals obtinguts a escala de laboratori amb els generats en processar aquest mateix cru extrapesado en una planta pilot de delayed coking. / [EN] During this doctoral thesis it has been developed an in-situ extra-heavy crude oil partial upgrading process that has allowed to obtain a good yield to a synthetic crude oil that meets the requirements of density and viscosity to be transported through a pipeline, that is, a synthetic crude with an API gravity grater than 19, a viscosity of less than 300 cSt and free of asphaltenes. Furthermore, practically all the metals, nickel and vanadium, have been removed from the starting extra-heavy crude oil, which greatly facilitates the further processing of this syncrude in a refinery. In order to develop this process a study has been conducted to determine the ideal reaction conditions (temperature, residence time and solid to oil ratio) to carry out the thermal cracking reaction of an extra-heavy crude oil in a downflow transported bed reactor. Moreover, it has been found that among several solid materials with different acidities and textural properties, it is the Kaolín, a natural clay with a small degree of porosity in its crystalline structure, which yields the largest amount of synthetic crude with the density and viscosity values required to be transported through an oil pipeline. These results have been obtained after performing the reaction under non-severe conditions (530ºC, 0.3 seconds and 8g g¿1) and therefore do not require a high energy expenditure. However, the liquids collected after each of the reactions carried out are unstable with respect to asphaltene flocculation, regardless of the solid heat exchanger or the reaction conditions used. To overcome this shortcoming, the next step has focused on eliminating asphaltenes from the synthetic crude. To do so, it has been employed, either alone or as an additive together with kaolin, a heat exchange solid with a certain grade of activity to performe the catalytic cracking of heavy molecules (BCA, Bottom Cracking Additive). This would allow asphaltenes removal by means of catalytic cracking reactions, giving rise to lighter hydrocarbons formation, and/or by means of condensation reactions, giving rise to coke formation. In this section it has been concluded that, due to the characteristics of the composition of the extraheavy crude oil used in the present study, the presence of any kind of acidity on the solid used as heat exchanger lead to a such increase in coke yield, with the concomitant reduction in the yield to syncrude, that made its used inadvisable. In addition, asphaltene flocculation continues to be observed within the reduced amount of liquids collected. So that, after assuming that in order to obtain stable liquids respect asphaltenes flocculation it is mandatory to get a syncrude free of residue fraction, hydrocarbon products with boiling points higher than 537ºC, in the next section has been analyzed the combination of different process steps to either thermally convert or recycle to extinction this heavy hydrocarbons fraction. Three different strategies of improvement processes have been schematized and the best one to produce the greatest amount of stable synthetic crude has been determined through theoretical calculations. Finally, this new partial upgrading process has been assessed by comparing these results obtained experimentally in the laboratory with the ones obtained after processing the same extraheavy crude oil in a Delayed Coking pilot plant. / Corresa Mateu, E. (2023). Aprovechamiento y mejora de crudos extrapesados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198857

La presente tesis plantea como hipótesis que la regulación ambiental del transporte de petróleo crudo por ductos, así como las estrategias de enforcement aplicadas por el Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental – OEFA en el periodo comprendido entre marzo del 2011 y setiembre del 2018 adolecieron de fallas que no favorecieron la prevención de los impactos negativos derivados de los derrames de petróleo crudo en el marco de la operación del Oleoducto Norperuano a cargo de Petróleos del Perú – Petroperú S.A. En ese sentido, de la revisión de fuentes bibliográficas respecto de los temas teóricos y técnicos aplicables, así como del análisis cuantitativo y cualitativo de los derrames de petróleo que se produjeron entre marzo del 2011 y setiembre del 2018, se corroboró parcialmente dicha tesis, en la medida que observaron factores intrínsecos y extrínsecos que condicionan la consecución de los objetivos de la regulación ambiental e influyen en la eficacia de su enforcement, así como falencias asociadas a: los rangos de multa para las infracciones vinculadas a los derrames de petróleo crudo; la vigencia del PAMA del ONP; la configuración de la obligación de adoptar medidas de prevención; y la obligación de descontaminar las áreas afectadas como consecuencia de los derrames de petróleo crudo. Es así que la presente tesis pretende aportar un enfoque de análisis sustentado en los conceptos teóricos propios de la regulación y el conocimiento objetivo y detallado de la problemática de los derrames de petróleo crudo y aportar información que permita reformular la regulación ambiental de la materia, así como la estrategia de enforcement aplicada por el OEFA para alcanzar el objetivo de una fiscalización ambiental eficiente, que favorezca la reducción de la cantidad de derrames de petróleo crudo. / Tesis