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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA DE PETRÓLEO FACTIBILIDAD DEL USO DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE CRUDOS PESADOS EN PLANTAS DE DESHIDRATACIÓN Trabajo de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia para optar al Grado Académico de MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERÍA DE PETRÓLEO Autor: Ing. Jaimar Antonia Nava Colina Tutor: Prof. Jorge Barrientos, MSc. Co-Tutor: Profesor. Cesar Romero, MSc. Maracaibo, Octubre de 2010
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO
PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA DE PETRÓLEO
FACTIBILIDAD DEL USO DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE CRUDOS PESADOS EN PLANTAS DE
DESHIDRATACIÓN
Trabajo de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia
para optar al Grado Académico de
MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERÍA DE PETRÓLEO
Autor: Ing. Jaimar Antonia Nava Colina Tutor: Prof. Jorge Barrientos, MSc.
Co-Tutor: Profesor. Cesar Romero, MSc.
Maracaibo, Octubre de 2010
Nava Colina, Jaimar Antonia. FACTIBILIDAD DEL USO DE ENERGÍA
SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE CRUDOS PESADOS EN PLANTAS DE DESHIDRATACIÓN . (2010) Trabajo de Grado. Universidad del Zulia.
Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo, Venezuela, Tutor: Prof. Jorge Barrientos MSc, Co-Tutor: Prof. Cesar Romero, MSc.
RESUMEN
Esta investigación tiene como propósito demostrar la factibilidad de calentar
crudos en el área de Tierra Este Pesado utilizando Energía Solar, para
facilitar su deshidratación. El calentamiento de estos crudos contribuye
significativamente a romper las emulsiones que se generan en los procesos
de producción y transporte, de allí su altísima relevancia. Desde hace
muchas décadas, dicho calentamiento se realiza utilizando calentadores
convencionales, los cuales utilizan gas natural como combustible. El
proyecto surge como solución estructural al problema de la escasez de gas
natural en el occidente del país. Se sustenta en la tecnología de colectores
solares del tipo cilíndricos-parabólicos desarrollada por la Industria Eléctrica
Mundial desde la década de los 80. Los cálculos, aunados al diseño
conceptual de una instalación para calentar petróleo utilizando Energía
Solar, indican que es altamente factible utilizar esta tecnología para calentar
petróleo, con lo cual se ahorrarían 4,2 MMPCND que en la actualidad se
queman para calentar petróleo con fines de deshidratación. Adicional al
ahorro de gas, destacan otras bondades del proyecto, tales como: La
disminución de la contaminación ambiental, la eliminación de la
dependencia del suministro de gas, el avance tecnológico para el país y la
posibilidad de instalar en Venezuela una fabrica de los mencionados
colectores, lo cual contribuiría a: La industrialización del país, agregar valor
al aluminio nacional y la generación de empleo. El tipo de investigación es
descriptiva y aplicada. El diseño de la investigación es no experimental.
Palabras clave: Deshidratación de Crudos Pesados, Energía Solar,
Colectores Solares Cilíndrico-Parabólico, Transferencia Tecnológica,
Transferencia de Calor.
Correo electrónico del autor: [email protected]
Nava Colina, Jaimar Antonia. Feasibility of the use of solar energy for
heating of heavy crude in dehydration plants. (2010) Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado.
Maracaibo, Venezuela, Tutor: Prof. Jorge Barrientos MSc, Co-Tutor: Prof. Cesar Romero, MSc.
ABSTRACT
This research aims to demonstrate the feasibility of to heat oil in the area of
Tierra Este Pesado through solar energy, to facilitate dehydration. The
heating of oil contributes significantly to break emulsions generated in the
production and transport processes, hence its high relevance. For many
decades, the heating is done using conventional heaters, which use natural
gas as fuel. The project comes as a structural solution to the problem of
shortage of natural gas in western Venezuela. It based on the solar collector
technology cylindrical-parabolic type developed by the World Electric
Industry since the early 80s. The calculations, coupled with the conceptual
design of a facility using solar energy heating oil indicate that it is highly
feasible to use this technology for heating oil, which would save 4.2
MMPCND currently burn oil for heating purposes dehydration. Additional gas
savings, other benefits include the project, such as: reduction of
environmental pollution, eliminating dependence on gas supplies,
technological progress for the country and the possibility of installing a
factory in Venezuela of the above collectors, which would contribute to the
industrialization of the country to add value to the national aluminium and
employment generation. The research is descriptive and applied. The
research design is not experimental.
Keywords: Heavy Crude Dehydration, Solar Energy, Solar parabolic trough
collectors, Technology Transfer, Heat Transfer.
Author E-mail: [email protected]
DEDICATORIA
A DIOS, primeramente porque es
el SER mas especial e importante
que existe, quien me ha dado
salud, para seguir viviendo y lograr
mis metas. Te adoro Señor.
A mi Padres, Jaime y Marlenys por
darme el ser, enseñarme a
enfrentar con firmeza todos los
momentos vividos, con su amor y
sabios consejos. Los amare hasta el
ultimo momento de mi vida y aun
mas alla. Siempre.
A mi Esposo, Pablo Jesús por su
apoyo incondicional, por el amor
tan grande y sincero que existe
entre nosotros, y quien me inspira
a seguir luchando en la vida,
haciendo esto hecho realidad, Te
Amo.
A mis hijos, Rubén, Sara Y Juan
Pablo por ser el regalo mas
hermoso y grande, de muchisimo
valor que el señor me ha brindado.
Los Amo con toda el alma.
A mis demás familiares, por su
apoyo desinteresado, a mi hermano
Jaime, a mi sobrino santiago y a
mis Suegros Ingrid y Pablo, a mi
abuela Angela.
Jaimar A. Nava C.
AGRADECIMIENTO
A DIOS, quien por medio de su
hijo JESUSCRITO me guia en todo
conocimiento permitiendo encontrar
todas las herramientas para logarlo
y hacer este hecho realidad.
A PDVSA, especialmente a:
Wilfredo Reyes, Javier Vasquez y
Ulises Latan, por su asesoría,
colaboración y apoyo.
Al tutor, Jorge Barrientos, por su
asesoría profesional durante el
desarrollo de este proyecto.
Al Co-Tutor, Cesar Romero, por su
asesoria y enseñanza incondicional,
durante el desarrollo del mismo.
A los Profesores, Mayka Gambus,
Orlando Zambrano. Por su
orientación, ayuda y confianza
hacia mí.
A mis padres, esposo e hijos,
por su valiosa colaboración en la
realización de este trabajo de
grado.
A todas aquellas personas que de
una u otra forma contribuyeron en
la culminación del mismo.
Jaimar A. Nava C.
TABLA DE CONTENIDO
Página
RESUMEN………………...…………………………………………………... 4
ABSTRACT……………………………………………………………………. 5
DEDICATORIA …………………………………………………………………………… 6
AGRADECIMIENTO …………………………………………………………………… 7
TABLA DE CONTENIDO ……………………………………………………………… 8
LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………… 10
LISTA DE FIGURAS …………………………….…………………………………… 12
LISTA DE SIMBOLOS Y NOMENCLATURAS………………………………… 13
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………. 14
CAPÍTULOS
I EL PROBLEMA
1. Planteamiento del Problema ………………………………………………… 16
1.1 Formulación del problema……………………………………………… 20
1.2 Justificación y Delimitación de la Investigación………………… 21
1.3 Objetivos de la Investigación …………………………………………… 22
1.3.1 Objetivo General………………………………………………………… 22
1.3.2 Objetivos Específicos……………………………………………………. 22
II MARCO TEÓRICO
1 Antecedentes de la Investigación…………………………………………… 23
2 Bases Teóricas………………………………………………………………………… 25
3 Descripción del Area en Estudio …………………….………………………. 26
4 Calentamiento de Petróleo en las plantas de deshidratación de Tierra este Pesado…………………………………….……………………………
28
5 Deshidratación o tratamientos de crudo……………………………….. 30
6 Aplicación del Calor………………………………………………………………… 34
7 Requerimientos del gas natural para el calentamiento de crudos pesados……………………………………………………………………………
35
7.1 Agua y Sedimento (AyS)……………………………………………… 35
7.2 Calor Especifico…………………………………………………………… 35
7.3 Gravedad API del Petróleo………………….……………………… 36
7.4 Poder Calorifico…………………………………………………………… 36
8 Energía Solar…………………………………………………………………………… 39
9 Colectores Solares del Tipo Cilindrico-Parabolicos………………… 41
9.1 Principio de Funcionamiento………………………………….…………… 41
10 Análisis térmicos de Colectores Solares……………………………… 55
10.1 Teoría de Duffie y Beckman…………………………………………. 55
III MARCO METODOLÓGICO
1 Tipo de Investigación …………………………………………….……………… 62
2 Diseño de la Investigación……………………………………..……………… 62
3 Población y Muestra………………………………………………………………… 63
4 Tecnicas y recolección de Datos……………………………………………… 63
5 Descripción del Instrumento…………………………………………………… 64
6 Procedimientos de la Investigación ………………………………………. 71
IV CALCULO Y DISEÑO DE LA PLANTA
1 Requerimiento del gas Natural……………………………………………….. 100
2 Impacto ambiental del uso de gas natural para combustión
……………………………………………………………………………………………………. 105
3 Impacto económico del uso de gas natural para
combustión…………………………………………………………………………………. 106
4 Impacto tecnológico de la sustitución de gas natural por
Energía Solar………………………………………………………………………………. 106
5 Impacto social de la sustitución de gas natural por Energía
Solar……………………………………………………………………………………………. 107
6 Requerimientos de Energía Solar para calentamiento de
Crudos Pesados………………………………………………………………………….. 108
7 Diseño conceptual de una planta para calentar petróleo
utilizando Colectores Solares tipo Cilindrico- Parabolicos………… 120
V ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
1 Evaluación de la Planta…………………………………………………………… 123
2 Análisis comparativo Energía térmica……………………………………… 126
CONCLUSIONES…………………………………………………………………………. 128
RECOMENDACIONES…………………………………………………………………… 130
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………… 131
ANEXOS
ANEXO A Estimación del consumo de gas para calentamiento de petróleo en patio de tanque F-6……………………………………………
135
ANEXO B Estimación del consumo de gas para calentamiento de petróleo en patio de tanque H-7……………………………………………
136
ANEXO C Estimación del consumo de gas para calentamiento de petróleo en patio de tanque Lagunillas Sur…………………………
137
ANEXO D Estimación del consumo de gas para calentamiento de petróleo en patio de tanque Bachaquero…..…………………………
138
ANEXO E Estimación de Energía para Calentamiento de Petróleo en patio de tanque F-6 sección de datos……………………
139
ANEXO F Estimación de Energía para Calentamiento de
Petróleo en patio de tanque F-6 sección de Cálculos………………. 140
ANEXO G Estimación de Energía para Calentamiento de
Petróleo en patio de tanque H-7 sección de datos…………………… 141
ANEXO H Estimación de Energía para Calentamiento de
Petróleo en patio de tanque H-7 sección de Cálculos………………. 142
ANEXO I Estimación de Energía para Calentamiento de
Petróleo en patio de tanque Lagunillas Sur sección de datos…… 143
ANEXO J Estimación de Energía para Calentamiento de
Petróleo en patio de tanque Lagunillas Sur sección de Cálculos……………………………………………………………………………………….
144
ANEXO K Estimación de Energía para Calentamiento de Petróleo en patio de tanque Bachaquero sección de datos……….
145
ANEXO L Estimación de Energía para Calentamiento de Petróleo en patio de tanque Bachaquero sección de Cálculos….
146
LISTA DE TABLAS
Tabla Página
1 Distribución de yacimientos productores activos por
campo…………………………………………………………………………………..
27
2 Valores teóricos de los parametros ópticos………………………. 57
3 Valores medios de la declinación……………………………………….. 57 4 Cuadros de variables…………………………………………………………… 61
5 Distribución de la muestra…………………………………………………… 63 6 Sistematización de la información………………………………………. 65
7 Resultado del cuetionario CPP-01 juicio de experto…………… 68
8 Totalización de las frecuencias de respuestas pares e
impares del cuestionario CPP-01…………………………………………. 69
9 Análisis del indicador materia prima para el calentamiento
de Petróleo apartir del gas natural (1)………………………………… 75
10 Análisis del indicador materia prima para el calentamiento
de Petróleo apartir del gas natural (2)………………………………… 76
11 Análisis del indicador materia prima para el calentamiento
de Petróleo apartir del gas natural (3)………………………………… 76
12 Análisis del indicador materia prima para el calentamiento
de Petróleo apartir del gas natural (4)………………………………… 78
13
Análisis de indicador la combustión para el calentamiento
de petróleo apartir del gas natural:causas de la mala combustión……………………………………………………………………………
78
14 Análisis de indicador rendimiento térmico en el calentamiento de Petróleo a partir del gas natural:factor
para la deshidratación de crudo…………………………………………..
80
15 Eficiencia Promedio……………………………………………………………….
81
16 Caracteristicas del calentamiento de Petróleo apartir del
gas natural……………………………………………………………………………. 82
17 Análisis termicos de colectores solares………………………………. 83
18 Análisis del indicador tasa de petróleo y agua…………………… 84
19 Análisis del indicador caudal de Petróleo a calentar en el
campo de Tía Juana Pesado………………………………………………… 85
20 Análisis del indicador caudal de Petróleo a calentar en el
campo de H-7……………….……………………………………………………… 85
21 Análisis del indicador caudal de Petróleo a calentar en el
campo de Lagunillas Sur……..……………………………………………… 86
22 Análisis del indicador caudal de Petróleo a calentar en el
campo de Bachaquero…….…………………………………………………… 87
23 Análisis del indicador caudal de agua a calentar PDT Tía
Juana……………………………………………………………………………………. 88
24 Análisis del indicador caudal de agua a calentar PDT H-7 88
25 Análisis del indicador caudal de agua a calentar PDT
Lagunillas Sur……………………………………………………………………… 89
26 Análisis del indicador caudal poder calorífico del gas………… 90 27 Dimensión volumen de gas requerido para calentamiento… 91
28 Indicador colectores para las 10 horas de irradancia solar…
92
29 Indicador sistema de almacenamiento de calor…………………. 93
30 Dimensión cantidad de colectores necesarios para el
calentamiento de petróleo y agua durante 24 horas…………. 94
31 Indicador energía generada por gas natural………………………. 95
32 Indicador de balance de energía de la planta solar……………. 96 33 Dimensión sustitución del gas natural por energía solar…… 97
34 Variable calentamiento de petróleo mediante la energía solar para deshidratación de crudos pesados……………………..
98
35 Cálculos de energía y gas requeridos para celentamiento de Petróleo Tierra Este Pesado…………………………………………….
103
36 Cálculos de energía solar para la Planta PDT F-6 sección de datos…………………………………………………………………………………
117
37 Cálculos de energía solar para la Planta PDT F-6 sección de cálculos…………………………………………………………………………….
118
38 Comparación del requerimiento Areal…………………………………. 255 39 Cálculos de energía solar-Tierra Este Pesado……………………… 126
40 Energía requerda Vs Energía generada……………………………… 126
LISTA DE FIGURAS
Figura. Página.
1 Calentadores de Petróleo a gas 1 ………………………………………. 17 2 Calentadores de Petróleo a gas 2………………………………………… 17
3 Producción gas Occidente 2004-2008…………………………………. 19 4 Ubicación Geográfica Tierra Este Pesado……………………………. 26
5 Microestructura de una emulsión de petróleo en agua………. 29 6 Orbita terrestre……………………………………………………………………. 40
7 Colector Solar tipo Cilíndrico-Parabólico……………………………… 42
8 Principio de funcionamiento del Colector solar del tipo
Cilíndrico-Parabólico…………………………………………………………….. 42
9 Corte transversal idealizado de tuberías de vidrio y Metal… 44
10 Vista del campo solar del Lazo DISS Almería-España……….. 45 11 Plataforma Solar de Almería vista aerea…………………………….. 48
12 Ubicación de las principales instalaciones de ensayo de la PSA………………………………………………………………………………………..
50
13 Lazo DISS en operación………………………………………………………. 51 14 Esquema simplificado del Lazo DISS existente en la PSA…. 52
15 Esquema de funcionamiento de la planta termosolar Solnova 1………………………………………………………………………………
54
16 Esquema ilustrativo de un Colector Solar cilíndrico-Parabólico………………………………………………………………………………
56
17 Relación entre el factor de concentración y la temperatura media del Colector Solar………………………………………………………
59
18 Etapas para el desarrollo de la Investigación……………………… 72
19 Trayectoria aparente del sol respecto a un punto de la
superficie terrestre………………………………………………………………. 108
20 Factor de Concentración………………………………………………………. 110
21 Instalación para calentar petróleo y agua en una planta de deshidratación utilizando Colectores Solares………………………
119
22 Esquema simplicado del sistema de almacenamiento de calor……………………………………………………………………………………
120
LISTA DE SIMBOLOS Y NOMENCLATURAS
BAPD: barriles de agua por día.
bar: unidad de presión en Sistema Cegesimal de Unidades.
BLPD: barriles de líquido por día.
BPPD: barriles de petróleo por día.
BsF: Bolívares Fuertes.
centipoise: unidad de viscosidad absoluta del sistema cegesimal de
unidades, equivalente a un milipascal segundo.
cps: centipoise
hrs.: horas Kcal.: kilo caloría.
Kg./m.s : Kilogramo por metro por segundo.
Kg./s : Kilogramo por segundo.
Kg.: kilogramo
kg.m2 / s: kilogramo por metro cuadrado sobre segundo
Kwh.: kilo watt por hora
m2: metro cuadrado
m3: metro cúbico
MMPCN: millones de pies cúbicos normales
MMPCND: millones de pies cúbicos normales por día Mol: la cantidad
de cualquier sustancia cuya masa expresada en gramos es
numéricamente igual a la masa atómica de dicha sustancia.
º C: Grado centígrado
º F: Grado Fahrenheit
º K: Grado Kelvin
pcn/bln: pie cúbico normal sobre barril normal
US$: Dólares de los Estados Unidos de América
Watt: Unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades.
Equivalente a 1 joule sobre segundo
MENPET: Ministerio del Poder Popular para la Energía y el Petróleo.
14
INTRODUCCIÓN
El 100 % del gas natural producido en el occidente del país es gas
asociado al petróleo, es decir, gas que se encuentra disuelto en la
producción de crudo y que a las condiciones de superficie se separa
del petróleo. En virtud de que los yacimientos de occidente, en su
mayoría, poseen un alto grado de agotamiento, consecuencia de casi
un siglo de explotación, la producción de crudo declina gradualmente,
disminuyendo también el gas asociado. La disminución constante de
la producción de gas acarrea severos problemas a la Industria
Petrolera en occidente, puesto que esta industria utiliza parte
importante de ese gas para sus operaciones.
En la búsqueda de una solución integral al problema estructural
de la creciente escasez de gas en occidente, se acudió a la Industria
Eléctrica. Esta industria, desde sus inicios, se ha caracterizado por el
desarrollo incesante de nuevas tecnologías para el aprovechamiento
de fuentes de energías “renovables y limpias”. Entre las fuentes
alternas analizadas para sustituir el gas natural en las operaciones de
la Industria Petrolera, se seleccionó la Energía Solar, dada las
características climáticas y la topografía del terreno en el cual se
desarrollan las operaciones petroleras en el occidente del país.
El calentamiento de petróleo pesado en las Plantas de
Deshidratación, es una de las tantas operaciones en las cuales la
Industria Petrolera utiliza el gas como combustible en el occidente del
país. La presente investigación demuestra la factibilidad técnica de
sustituir el gas natural por Energía Solar en las Plantas de
Deshidratación del área asignada a PDVSA OCCIDENTE conocida
como Tierra Este Pesado.
15
Luego de analizar varias tecnologías para el aprovechamiento de la
Energía Solar, se seleccionó el uso de colectores solares del tipo
cilíndrico-parabólico. Esta tecnología ha sido suficientemente probada
por la Industria Eléctrica mundial, y es idónea para generar calor a
temperaturas medias, cubriendo los requerimientos de la
Industria Petrolera. Los cálculos indican que alrededor de 384
colectores solares del tipo cilíndrico-parabólico son suficientes para
calentar todo el petróleo recolectado en las Plantas de Deshidratación
de Tierra Este Pesado, con lo cual se ahorrarían 4,2 MMPCND de gas
natural que en la actualidad se queman diariamente, que bien
pudieran ser destinados a actividades prioritarias: Levantamiento
artificial por gas, gas domestico, industrialización y/o gas Vehicular.
Aunado al ahorro de gas, y el consecuente ahorro de dinero, el
proyecto ofrece como ventaja adicional la disminución de la
contaminación ambiental y máxima garantía de continuidad
operacional. El estudio incluye el diseño conceptual de una instalación
de Energía Solar para el calentamiento de petróleo. Una vez
demostrada la factibilidad técnica del proyecto, se propone la
ejecución de un proyecto piloto, y la masificación de la tecnología,
dependiendo de los resultados de la prueba piloto. Adicionalmente se
propone la construcción, en Venezuela, de una planta para fabricar
los colectores solares del tipo cilíndrico-parabólico, e implementar la
tecnología en otras áreas de la Industria Petrolera y la Industria
Eléctrica Nacional.
La redacción ha sido estructurada en 4 (cuatro) capítulos y la
investigación es del tipo descriptiva, no experimental,
correspondiente al diseño transversal descriptivo, del tipo no
experimental transeccional.
16
CAPÍTULO I
Planteamiento del Problema
En las Plantas de Deshidratación de Tierra Este Pesado se recolecta la
producción proveniente de las 175 estaciones de flujo del área. Esta
producción (petróleo pesado y agua) se calienta antes de ser
almacenada. El incremento de temperatura facilita la ruptura de
emulsiones y actúa como catalizador para la deshidratación del crudo.
El petróleo, muy especialmente el pesado, tiende a formar
emulsiones, de manera espontánea. El agua y el petróleo, unidos en
la emulsión deben ser separados, para garantizar al destinatario del
crudo un producto “limpio”, con mínimo contenido de agua. Para
optimizar el proceso de deshidratación, en las plantas, se utilizan
también productos químicos, como: desmulsificantes y
antiespumantes. La efectividad de estos productos depende en gran
parte de la temperatura.
Para incrementar la temperatura del petróleo se utilizan calentadores,
que no son más que intercambiadores de calor convencionales. En el
interior del calentador se quema gas natural. El calor generado por la
combustión del gas es transmitido al petróleo por radiación y
conducción. Petróleo y agua fluyen en el interior del calentador a
través de un sistema de tuberías internas, el calor es transmitido a
la(s) tubería(s) y la(s) tubería(s) lo transmiten al petróleo. La figuras
1 y 2 muestran fotografías de calentadores de petróleo, los cuales
utilizan gas natural como combustible.
17
FIGURA 1
Calentadores de Petróleo a gas.
Fuente: Jaimar Nava
FIGURA 2
Calentadores de Petróleo a gas.
Fuente: Jaimar Nava
18
El calor generado por un calentador depende fundamentalmente de
dos parámetros: caudal y poder y calorífico del gas combustible. La
eficiencia del proceso ha sido estimada en un 70 % promedio, por la
experiencia obtenida a través de los años.
Si la producción no es calentada, el petróleo emulsionado
continuaría hacia los tanques de almacenamiento en forma de
emulsión, dificultando enormemente su deshidratación. Además, se
disminuiría la efectividad de la química utilizada. Es necesario
resaltar que existen especificaciones establecidas por la empresa
sobre el máximo contenido de agua presente en un determinado
crudo. Estas especificaciones se derivan de los contratos establecidos
con los clientes destinatarios de dicho crudo, de allí la altísima
relevancia de un proceso de deshidratación optimo, el cual depende
en gran medida del calentamiento. Esta cadena de eventos depende
fundamentalmente de la continuidad operacional de los calentadores,
los cuales dependen a su vez del suministro ininterrumpido y
suficiente del gas combustible. Si el abastecimiento de gas se
interrumpe o es insuficiente, la consecuencia final será la
postergación de la producción. A esta producción postergada se le
denomina en el argot operacional Producción Diferida. Hasta tanto no
se logren las especificaciones establecidas, el crudo no será
bombeado a su destino.
Desafortunadamente, no se registran estadísticas de producción
diferida consecuencia del suministro insuficiente de gas natural para
calentamiento de petróleo. Sin embargo, se tiene el conocimiento
preciso de que este suministro insuficiente de gas constituye un
importante problema en Tierra Este Pesado, cuya situación se agrava
con la escasez general de gas en occidente. La disminución
progresiva de gas en occidente y su consecuente escasez, es el
origen de la problemática. Lamentablemente, toda la producción de
19
gas del occidente de país es gas asociado, gas que está disuelto en el
petróleo y a las condiciones de presión de temperatura y presión se
separa del petróleo. Consecuentemente, si la producción de petróleo
disminuye, el gas asociado también disminuye. La figura Nº 3
muestra la producción de gas de occidente en el período 2004-2010.
PRODUCCIÓN DE GAS OCCIDENTE 2004-2010
MMPCND
1.123
1.067
948 944
873
1.257
1.211
800
850
900
950
1.000
1.050
1.100
1.150
1.200
1.250
1.300
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
AÑO
PR
OD
UC
CIÓ
N D
E G
AS
(M
MP
CN
D)
NOTA:
El valor mostrado para 2010 corresponde únicamente a
enero de ese año.
El resto de los valores son promedios anuales.
FIGURA 3
Producción de Gas Occidente 2004-2008
Fuente: Libros de Reservas PDVSA e Informes de Producción de Gas
La producción de gas de occidente en enero 2010 disminuyó en
384 MMPCND con referencia a la producción del 2005, lo cual
equivale a una reducción del 30 %, en tan solo 5 años. Esta
disminución continúa y solo se vislumbra como solución a mediano y
largo plazo, la explotación de gas del Golfo de Venezuela.
Conviene destacar que en el occidente del país el gas natural tiene
una gran demanda. Se utiliza gas natural para:
El Complejo Petroquímico El tablazo
Levantamiento artificial.
Generación de Electricidad.
20
Uso domestico.
Generación de vapor para la Extracción de Crudos Pesados.
Calentamiento de Petróleo en las Estaciones de Flujo y Plantas de
Deshidratación.
Otros.
La producción de gas no satisface la demanda actual. La situación
alcanzó niveles tan críticos, que fue necesario importar gas desde
Colombia.
En búsqueda de una solución integral al problema de la escasez de
gas en occidente, se acudió a la Industria Eléctrica, por su amplia
experiencia en el uso de energías renovables, no contaminantes.
Con fundamento en las razones expuestas, luce totalmente pertinente
sustituir el gas natural por Energía Solar como fuente de calor para el
calentamiento de petróleo en las Plantas de Deshidratación de Tierra
Este Pesado. Esta investigación propone el aprovechamiento de la
Energía Solar utilizando colectores solares del tipo cilíndricos-
parabólicos que permitan el calentamiento continuo y suficiente de
petróleo, erradicando la dependencia del gas natural.
Formulación del Problema:
Una vez planteado el problema para enfocar y dirigir la investigación,
se hace necesario formular la siguiente pregunta:
¿Usar energía solar representa una técnica factible para el
calentamiento de crudos pesados en planta de deshidratación?
Sistematización del Problema
21
De la problemática antes planteada surge la presente investigación,
la cual busca dar respuesta a las siguientes interrogantes:
¿Cuáles son las características del calentamiento de petróleo a partir
de gas natural?
¿Cual es el impacto del calentamiento de petróleo a partir de gas
natural?
¿Cuales son las características del calentamiento de petróleo
mediante energía solar?
¿Es factible el uso de la energía solar para calentamiento de petróleo?
1.2 Justificación de la Investigación
El calentamiento de petróleo utilizando Energía Solar en las Plantas
de Deshidratación de Tierra Este Pesado constituye una excelente
Aplicación de la Energía Solar en la Industria Petrolera.
La factibilidad de calentar petróleo utilizando energía solar constituye
una magnífica alternativa para sustituir el gas natural en las
operaciones de la Industria Petrolera. La energía solar, además de ser
gratuita, es una energía limpia, no contaminante e ilimitada, que
puede ser aprovechada de manera inocua. El trabajo de
investigación propuesto posee una relevante importancia para PDVSA
OCCIDENTE, puesto que permitiría el ahorro de millones de pies
cúbicos diarios utilizados para calentar petróleo.
Aunado a lo ya expuesto, el proyecto representa una gran oportunidad
para el desarrollo endógeno del país, puesto que un sistema para
22
calentar petróleo mediante energía solar es de baja complejidad y los
equipos podrían ser fabricados en Venezuela, contribuyendo con el
desarrollo industrial del país y su consecuente avance tecnológico y
generación de empleo.
a.- Delimitación de la Investigación
ESPACIAL: La presente investigación se tiene prevista ser realizada en las
plantas de deshidratación de Tierra Este Pesado (TDN Bachaquero, TDN
Lagunillas Sur, Planta de deshidratación FF-6 y Planta de deshidratación
HH-7).
TEMPORAL: El tiempo estimado para realizar el estudio es de seis meses,
comprendidos entre Abril del 2010 y Octubre del 2010.
1.3 Objetivos de la Investigación
1.3.1 Objetivo General:
Evaluar la factibilidad del uso de energía solar para calentamiento de
crudos pesados en planta de deshidratación.
3.3.2 Objetivos Específicos:
Describir el funcionamiento de los calentadores a gas utilizados en
las Plantas de Deshidratación de Crudo de Tierra Este Pesado.
Describir el funcionamiento de los colectores solares del tipo
cilíndrico-parabólico.
Analizar el consumo de gas de los calentadores.
Diseñar una planta para calentar petróleo con colectores solares
del tipo cilíndrico-parabólico.
Evaluar el diseño de la planta para calentar petróleo con
colectores solares del tipo cilíndrico- parabólico.
23
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO:
En el Capítulo II se presentan los antecedentes utilizados para el
desarrollo de la presente investigación. Adicionalmente, se describen
los fundamentos teóricos y conceptos básicos en los cuales se apoya
el contenido temático del proyecto.
1. Antecedentes de la Investigación
PEREZ,M; (2007): desarrolló la investigación “Generación de
vapor mediante energía solar para la extracción de crudos
pesados y extrapesados”, la cual tiene como objetivo general,
analizar la factibilidad de generar vapor mediante Energía Solar para
la extracción de crudos pesados en el área Tierra Este Pesado de
PDVSA-OCCIDENTE y constituye una de las aplicaciones específicas
de la Energía Solar en la Industria Petrolera. La propuesta incluye un
análisis de la producción de electricidad mediante Energía Solar. Se
muestran también los planes a futuro, a nivel mundial, para una
mayor utilización de esta inagotable fuente de energía. Se realiza una
detallada explicación del funcionamiento de los colectores del tipo
cilíndrico-parabólico. Se describen dos proyectos de producción de
electricidad mediante Energía Solar. Luego, se presenta el diseño
conceptual de una planta para generar vapor utilizando Energía Solar.
Este trabajo es una referencia importante para la presente
investigación, ya que proporciona los fundamentos teóricos
necesarios para la investigación.
24
ROMERO, C; (2006): Resume la experiencia del “Uso de
colectores solares del tipo cilíndrico-parabólico para el
calentamiento de crudos pesados en estaciones de flujo”,
donde el petróleo, por su condición de líquido, posee la propiedad de
reducir su viscosidad cuando se le aumenta la temperatura. Esta
particularidad ha sido ampliamente aprovechada por la Industria
Petrolera para facilitar la extracción y transportación de los crudos
pesados. Debe recordarse que los crudos pesados y extrapesados se
caracterizan por su alta viscosidad, En la Unidad de Explotación Tierra
Este Pesado, todas las Estaciones Recolectoras de Petróleo
(Estaciones de Flujo), están equipadas con un calentador que eleva la
temperatura del petróleo a fin de disminuir su viscosidad y posibilitar
su flujo hasta las Plantas de Deshidratación. Estos calentadores no
son mas que simples intercambiadores de calor que utilizan gas
natural como fuente de energía. Entre las aplicaciones de la Energía
Solar en la Industria Petrolera, se identificó la sustitución de estos
calentadores por colectores solares del tipo cilíndrico-parabólico.
El estudio incluye un diseño conceptual de los colectores solares y su
funcionamiento, lo cual servirá de guia en la presente investigación,
en el diseño de la planta para calentar petróleo con colectores solares
del tipo cilíndrico-parabólico.
ROMERO, C; (2007): desarrolla la investigación, Este trabajo es una
referencia importante para la presente investigación, ya que
proporciona los fundamentos teóricos, y desarrolla el antecedente
principal de esta investigación, la misma se donominó,
“Aplicaciones de la energía solar en la Industria Petrolera”. Se
analizó la situación de la escasez de gas en occidente y se planteó
como posible solución a esta problemática, la sustitución del gas
natural por Energía Solar en varias de las operaciones de la Industria
Petrolera local, Este trabajo fue tomado como antecedente, ya que
se estudia minuciosamente el funcionamiento de los colectores
25
solares del tipo cilíndrico-parabólico, como una excelente alternativa
para el aprovechamiento de la Energía Solar y su aplicabilidad en las
operaciones de la Industria Petrolera.
Lo cual, se adaptaran al caso de estudio de la presente investigación.
PROYECTO INDITEP (INTEGRATION OF THE DIRECT STEAM
GENERATION TECHNOLOGY FOR ELECTRICITY PRODUCTION);
(1998): Este proyecto se enmarca dentro de las actividades que lleva
a cabo la PSA (Plataforma Solar de Almería) en relación con la
tecnología de generación directa de vapor con colectores cilíndricos-
parabólicos, la cual constituye uno de los pilares principales del
Programa de Investigación en Energía Solar Térmica de Media
Temperatura.
MUÑOZ,J; (1999): esta investigación doctoral es desarrollada en la
universidad politécnica de Mdrid España, y resumen la experiencia de
“Sistemas de generación eléctrica mediante calderas de vapor
energizadas mediante por radiación solar concentrada” donde
enmarca un nuevo sistema para el aprovechamiento de la energía
solar térmica mediante un novedoso sistema denominado Caldera
Solar. Dicho sistema presenta importantes similitudes con los
sistemas de receptor central, pero las condiciones de operación se
asemejan mas a la de los colectores cilíndricos-parabólicos. Este
trabajo fue tomado como antecedente, ya que se estudia
minuciosamente el funcionamiento de los colectores solares del tipo
cilíndrico-parabólico.
2. Bases Teóricas.
Las bases teóricas es la hipótesis en la cual se basa el investigador
para el desarrollo de su estudio. Esta hipótesis esta fundamentada en
la variable objeto de estudio:
26
3. Descripción del Area en Estudio:
El Campo Costanero Bolívar está situado en la zona Este de El Lago
de Maracaibo. Constituye una de las áreas petroleras más grandes del
mundo y se extiende paralelamente a la Costa Oriental del lago. La
Unidad de Explotación Tierra Este Pesado está ubicada dentro del
Campo Costanero Bolívar (Fig. 4) y constituye una de las áreas con
mas acumulaciones de crudos pesados en el mundo. Abarca 551 Km2
de superficie y se encuentra dividida en tres campos denominados:
Tía Juana 160 Km2, Lagunillas 163 Km2 y Bachaquero 228 Km2. los
cuales se extienden paralelamente a la Costa Oriental de El Lago de
Maracaibo.
FIGURA 4. Tierra Este Pesado, Fuente: Nava, Jaimar
1
2
3
1 C A M P O T Í A J U A N A1 C A M P O T Í A J U A N A 2 C A M P O L A G U N I L L A S2 C A M P O L A G U N I L L A S 3 C A M P O B A C H A Q U E R O3 C A M P O B A C H A Q U E R O
27
En la actualidad, existen 18 yacimientos activos. En la tabla Nº 1 se
listan los yacimientos productores activos, discriminados por campo:
CAMPO TÍA JUANA CAMPO LAGUNILLAS CAMPO BACHAQUERO
B-1 AREA-21 B-1 AREA-83/84 B-1 CAMPO
B-1 AREA-31 LAGINF CAMPO LA PUERTA CAMPO
B-1 AREA-39 LAGSUP CAMPO POST EOC APBE
B-6 RD0515* LAGUNA NORTE POST EOC APBO
LAGINF ARMAR ESTE LAGUNA ESTE/SUR POST EOC CAMPO PPAL
LAGINF ARMAR PPAL
LAGINF CAMPO ESTE
LAGINF CAMPO PPAL
TABLA 1
Distribución de Yacimientos Productores activos por campo
Fuente: libro de reservas PDVSA- 2008
La gravedad API promedio del crudo Tía Juana es de 11º, mientras
que el Campo Lagunillas produce dos tipos de crudo: 11º API y 15º
API. La gravedad API promedio del crudo producido en el Campo
Bachaquero es de 12,2 º API. Como puede apreciarse, toda el área es
productora de crudo pesado, con sus implicaciones, entre las cuales
destaca la necesidad de calentar el crudo en las Plantas de
Deshidratación para facilitar la separación del agua.
Al 31 de diciembre de 2008, las reservas remanentes de Tierra Este
Pesado se contabilizaban en 2.703 MMBLS, distribuidas de la
siguiente manera: Tía Juana 1.186 MMBLS, Lagunillas 1.033 MMBLS y
Bachaquero 483 MMBLS. Extraer estas reservas implicará enormes
volúmenes de gas para calentamiento de petróleo y otras actividades
operacionales.
En la actualidad existen alrededor de 5.200 pozos activos cuya
producción total promedia 94,1 MBPPD. Para recoger esta
producción, Tierra Este Pesado dispone de 175 estaciones
recolectoras de petróleo.
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Tierra Este Pesado posee también tres plantas para la deshidratación,
acondicionamiento, almacenaje y bombeo del crudo: PDT F-6, PDT
Lagunillas Sur y PDT Bachaquero. Se les conoce en el argot
operacional como Patios de Tanques (PDT). La planta F-6 recolecta la
producción del campo Tía Juana. Las PDT Lagunillas y PDT
Bachaquero recolectan la producción de los campos del mismo
nombre. Adicionalmente, se dispone de una planta de fiscalización del
crudo Tía Juana, denominada H-7 Cabimas, en la cual el ministerio
correspondiente (MENPET) certifica la producción del campo.
Al 30/03/2009, la producción total de líquido de Tierra Este Pesado
fue de 131.906 BLPD, con 28,6 % de agua y sedimento, con una
producción neta de petróleo de 94.103 BPPD.
La topografía de Tierra Este Pesado es absolutamente plana, con una
radiación promedio anual de 900 Watt/m2, sumamente calurosa, con
temperatura promedio anual de 32 º C y que en algunos meses del
año alcanzan los 44 ºC, y con temperatura. Tierra Este Pesado se
ubica en los 10º 40’ de latitud norte. Estas características hacen de
Tierra Este Pesado un área idónea para que la Industria Petrolera
aproveche la Energía Solar.
4. Calentamiento de Petróleo en las Plantas de Deshidratación
de Tierra Este Pesado.
El próposito fundamental del calentamiento de la mezcla agua-
petróleo en las Plantas de Deshidratación es romper las emulsiones
que se originan en el proceso de producción. El calentamiento facilita
significativamente la separación del agua y el petróleo, i.e, la ruptura
de las emulsiones.
29
La emulsión es una mezcla de dos líquidos inmiscibles, es decir,
líquidos que bajo condiciones normales no se mezclan. Uno de los
líquidos se dispersa completamente en el otro en la forma de
diminutas gotas.
La figura 5 muestra una fotografia de una emulsión petróelo en agua,
vista al microscopio:
FIGURA 5. Microestructura de una Emulsión de petróleo en agua
Fuente: Héctor Laurencio Alfonso, Yodelkis Delgado Drubey
Se necesitan tres condiciones para la formación de una emulsión
estable:
a. Dos líquidos inmiscibles: En este caso agua y petróleo.
b. La agitación y turbulencia: Las emulsiones no se forman
espontáneamente, pues algún trabajo debe ser puesto en el
sistema. La agitación debe ser suficiente para dispersar un líquido
en diminutas gotitas dentro del otro. En un pozo fluyente, la
turbulencia podrá ser proveída por el flujo del petróleo crudo a
través de la sarta de producción. Para un pozo de bombeo,
además del flujo se tiene la turbulencia del bombeo.
c. Agente emulsificante: Este es algún componente orgánico
presente en el petróleo crudo que estabiliza la fase dispersada
formando una dura y elástica película sobre la superficie de los
glóbulos. Esta película es delgada y fácilmente visible bajo el
30
microscopio. Su presencia dificulta la coalescencia de los glóbulos;
ayudando a que los glóbulos salten o reboten alejándose unos de
otros con un alto grado de elasticidad o frecuentemente
rompiéndose en partículas más pequeñas.
En cualquier sistema de tratamiento, el objetivo es destruir la película
protectora por neutralización del efecto del agente emulsificante.
La estabilidad de las emulsiones, es decir la resistencia a
fracturarse, depende de varios factores, que también influyen en la
facilidad con la que un petróleo y agua se emulsifican. La mayoría de
estos factores escapan al operador. Algunos de estos factores son:
Temperatura.
Tipo de petróleo.
Edad de la emulsión.
Porcentaje de agua.
Agente emulsificante.
Carga eléctrica.
Exposición al aire.
Tamaño de la partícula.
La viscosidad.
Gravedad específica.
5. Deshidratación o Tratamiento de Crudos:
Las materias extrañas que contienen el petróleo pueden incluir
agua, arena, sedimentos, y otras impurezas. El término tratamiento
alude a cualquier procedimiento diseñado para separar las materias
extrañas del petróleo crudo.
31
La operación del tratamiento puede incluir uno o más de los
procedimientos que se indican a continuación:
Dar tiempo para el asentamiento y drenar el agua que se separa.
Aplicación de calor.
Aplicación de compuestos químicos.
adición de diluyentes para reducir la viscosidad.
Operación de dispositivos tales como tanques de asentamiento o
tanques de lavado, separadores de agua y petróleo, y
deshidratadores eléctricos.
Se puede hacer una clasificación general de los métodos o sistemas
de tratamiento:
Sistema mecánico.
Sistema Eléctrico.
Sistema químico.
El objetivo primario de un tratamiento de emulsión es impedir el
efecto emulsificante ó cualquier atracción eléctrica, que mantiene los
glóbulos en suspensión, tanto que ellos puedan coagular y
sedimentarse.
Los factores envueltos en el tratamiento de emulsiones de
petróleo crudo incluyen rompimiento de las películas que rodean las
pequeñas partículas de agua, y fusión de las pequeñas gotitas en
gotas más grandes; y asentamiento de las gotas de agua ya sea
durante o después de la fusión.
Teóricamente, todas las emulsiones se separarían en petróleo y agua
si se dejan asentar por un tiempo ilimitado. Gran cantidad del agua
32
producida se separa sin ayuda del calor, de compuestos químicos o
de dispositivos mecánicos.
Sin embargo las pequeñas partículas de agua en las emulsiones están
rodeadas por películas de una materia que las hace tan duras y
estables que resisten la ruptura y evitan la fusión o reunión de gotas
de agua por un periodo razonable de tiempo. Por lo tanto el calor, los
compuestos químicos los dispositivos mecánicos o varias
combinaciones de ellos comúnmente se requieren para acelerar la
separación.
Mientras más alta sea la viscosidad del crudo, más lento será el
asentamiento del agua. Cuanto más baja sea la temperatura del agua
más alta será la viscosidad y más lenta la separación. Mientras más
pequeñas sean las gotas de agua, más lenta será su separación. Por
esto los diferentes procedimientos de tratamiento tienen por
propósito aumentar el tamaño de las gotitas de agua, y, si es
necesario, la diferencia de gravedad entre el agua y el petróleo, o
disminuir la viscosidad del petróleo para que el periodo de
asentamiento del agua llegue a un valor aceptable. El calor reduce la
viscosidad y aumenta la gravedad diferencial. Los compuestos
químicos promueven un aumento en el tamaño de las partículas de
agua. Los diluyentes, que generalmente se usan con petróleos crudos
más pesados, reducen la viscosidad y aumentan la gravedad
diferencial.
La acción centrífuga es una forma acelerada de asentamiento; puede
producir una separación completa del agua pero, por lo general
arrojará la emulsión concentrada. La separación del agua por
destilación implica altos costos de combustibles y otras dificultades, y
no resulta económico.
33
Los sistemas mecánicos podrán ser clasificados:
Separación gravitacional.
Empleo del calor.
Filtración.
Centrifugación.
Estos diseños mecánicos son principalmente usados como adjuntos
de los sistemas eléctricos y químico. En los casos de emulsiones no
muy estables la aplicación de calor y filtración solos podrán producir
limpieza y rápida ruptura, pero en la mayoría de los casos la
inyección de química o el tratamiento eléctrico es requerido a menos
que temperaturas próximas al punto de ebullición del agua son
usadas. Los métodos de tratamiento usados varían con el área y la
emulsión.
Separación gravitacional-Decantación.- Gravedad diferencial significa
la diferencia en la gravedad específica, o la diferencia en peso entre
el agua y el petróleo. El agua (o salmuera) tiene una gravedad
específica mayor que el petróleo, y por lo tanto se precipita al fondo
del tanque que contiene a los dos. Este principio es un componente
básico de todos los procedimientos de tratamiento.
El asentamiento gravitacional puede ser solamente efectivo después
que la emulsión ha sido rota por algún otro tipo de tratamiento. Si las
películas protectoras y las cargas eléctricas que estabilizan los
glóbulos no son primeramente neutralizadas, cualquier asentamiento
que ocurra será a un ritmo bastante lento para ser económicamente
factible. Como ya dijimos el ritmo de asentamiento es mayormente
influenciado por la viscosidad del petróleo; es por esta razón que la
emulsión es calentada antes de colocarla en el tanque de
asentamiento.
34
Para que ocurra un rápido asentamiento es importante que la
emulsión, en el tanque de asentamiento tanque de lavado, esté en un
estado tranquilo. Por consiguiente para que no haya liberación de gas
en este tanque, el crudo es pasado a través de una serie de discos de
agitación para liberar el gas antes de meterlo al tanque. Para evitar la
turbulencia la emulsión es pasada por el fondo del tanque a través de
una capa de agua; la capa de agua ayuda a coagular a los glóbulos
de agua y sirve como un influyente igualizador de calor. Una desigual
distribución de calor podrá causar corrientes de remanso que dará
agitación a la mezcla impidiendo la separación.
6. Aplicación del calor
Varias teorías se han desarrollado para explicar el efecto del calor
en el tratamiento de emulsiones. Una teoría supone que unas gotitas
diminutas tales como las formadas en las emulsiones, están en un
movimiento continuo debido al fenómeno del movimiento browniano.
Este movimiento se aumenta por el calor, que hace chocar las gotitas
con más frecuencia y mayor fuerza. En cuanto a la fuerza de coalición
es suficientemente grande, la película circundante se rompe y las
gotas se juntan.
También el propósito del calentamiento es reducir la viscosidad del
petróleo y hacer más fácil la sedimentación de los glóbulos de agua.
La aplicación de calor también afecta las tensiones interfaciales
existentes entre el petróleo y el agua.
En efecto cualquier emulsión podrá ser rota por la aplicación del calor
a una temperatura igual al punto de ebullición del agua; cuando esa
temperatura es alcanzada, los glóbulos de agua se gasifican y
rompen sus películas protectoras. Sin embargo la aplicación de calor
en tal extremo tiene varias desventajas importantes: un excesivo
35
calentamiento causa pérdidas de los productos o partes más ligeras
de hidrocarburos (más volátiles). Esto resulta en perdida, tanto en
volumen como en gravedad, para el productor. Además, el aumento
de la escala de deposición sobre el equipo, y un mayor gasto de
aceite hacen no deseables las temperaturas altas.
En resumen, en Tierra Este Pesado, la aplicación de calor es un
proceso auxiliar para acelerar la ruptura de la emulsión. Los procesos
suplementarios de deshidratación se llevan a cabo en el interior de
los tanques, mediante: Tratamiento químico, centrifugación y
decantación.
7. Requerimientos de gas natural para el calentamiento de
crudos pesados.
Previo a la discusión de los parámetros que determinan los
requerimientos de gas combustible para calentar el petróleo, es
menester revisar los siguientes conceptos:
7.1 .1 AyS: Estas siglas indican Agua y Sedimento. Se conoce en el
léxico petrolero como la fracción de agua que fluye junto con el
petróleo, y se expresa generalmente en porcentaje. Recuérdese
que la producción de petróleo siempre tiene asociada una
producción de agua.
7.2 Calor Específico: Es la cantidad de energía necesaria para
aumentar, en un grado, la temperatura de la unidad de masa
de una sustancia. Indica la mayor o menor dificultad que
presenta dicha sustancia para experimentar cambios de
temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse
como una medida de inercia térmica.
7.3 Gravedad API del Petróleo: Es la gravedad del crudo, expresada
en la escala internacional del American Petroleum Institute (API).
36
7.4 Poder Calorífico: Es la energía que se genera como producto de la
combustión completa de la unidad de masa o de volumen de un
combustible.
El caudal de gas natural necesario para calentar un determinado flujo
de petróleo y agua, depende de los siguientes parámetros:
Flujo de Petróleo (QVO).
Flujo de Agua (QVW).
Calor Especifico del Petróleo (CeO).
Calor Especifico del Agua (Cew).
Poder Calorífico del Gas Combustible (Pcg).
Incremento de Temperatura: Este incremento es la diferencia
entre la Temperatura de Salida (Ts) y la Temperatura de Entrada
(Te). Ts es la temperatura hasta la cual se desea calentar el liquido
(petróleo + agua) y Te es la temperatura del liquido antes de
entrar al calentador.
Eficiencia Termodinámica: Es la eficiencia (ET) del sistema de
calentamiento. Recuérdese que en los procesos de calentamiento
siempre ocurren perdidas de calor al exterior del sistema que
disminuyen la eficiencia del proceso. Para los calentadores de
petróleo se asume eficiencia de 70 %. Este valor ha sido obtenido a
través de mediciones durante largos años.
Inicialmente, es necesario calcular el flujo volumétrico de agua y de
petróleo, a partir del caudal total de liquido QL (petróleo + agua,) y
del porcentaje de AyS.
37
Ecuación 1
Ecuación 2
Luego se calculan los flujos másicos de petróleo y agua, partiendo de
los flujos volumétricos y las densidades respectivas.
La densidad del petróleo (O) se calcula a partir de su gravedad
específica (gO), la cual se calcula a su vez con la gravedad API,
utilizando las siguientes fórmulas:
Ecuación 3
Si se desea conocer la gravedad API, partiendo de la gravedad
especifica, se despeja ºAPI de la ecuación 3:
Ecuación 4
Luego se calcula la densidad del crudo (O), partiendo de la gravedad
específica del petróleo y la densidad del agua (W), que es un valor
ampliamente conocido y disponible en la literatura técnica.
Ecuación 5
Ya conocidas la densidad del petróleo, se procede a calcular los flujos
másicos de petróleo (QMO) y agua (QMW):
Ecuación 6
Ecuación 7
141,5
go=
131,5 + API
141,5
API = - 131,5
go
O = gO x W
QVW=
QL x AyS
100
QMO = QVO x O
QMW = QVW x W
QL x (100-AyS)
QVO=
100
38
Conocidos los flujos másicos, se procede a calcular la cantidad de
energía (H) necesaria para el calentamiento del petróleo y el agua,
HO y HW, respectivamente. Luego se suman ambos valores para
obtener el requerimiento total de energía (HT). El calor específico del
agua es también un valor ampliamente conocido y disponible en la
literatura técnica. El calor específico del petróleo varia entre 0,4 y
0,52 kcal/kg.ºC. El valor promedio es de 0,5 kcal/kg.ºC.
HO= QMO x Cep x (Ts – Te). Ecuación 8
Hw= QMw x Cew x (Ts – Te). Ecuación 9
HT= HO + Hw (Teórica) Ecuación 10
El valor de HT obtenido en la ecuación 10 es la Energía Requerida
Teórica, es decir, supone una eficiencia termodinámica de 100%.
Para obtener un valor realista, es necesario dividir este valor por la
Eficiencia Termodinámica (ET).
(Real)
Ecuación 11
Finalmente, se calcula el requerimiento de gas (Qg). En esta etapa se
debe conocer el poder calorífico del gas (Pcg).
Ecuación 12
Se debe tener especial cuidado en la consistencia del sistema de
unidades a utilizar. El valor de HT a introducir en la ecuación 12 será
el obtenido en la ecuación 11, a fin de obtener un requerimiento de
gas realista.
Qg= HT
Pcg
HT
=
HO + HW
ET
39
La cantidad de calor neto generado por el gas combustible, será la
energía que deban producir los colectores solares para sustituir el gas
natural como combustible en las Plantas de Deshidratación.
8. La Energía Solar
La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la
radiación y el calor emitidos por El Sol.
La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por
medio del calor que produce, como también a través de la absorción
de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es
una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo
no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde.
La potencia de la radiación varía según el momento del día, las
condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede
asumir que en buenas condiciones de irradiación, el valor es de
aproximadamente 1.000 W/m² en la superficie terrestre. A esta
potencia se la conoce como irradiancia. La irradiancia es la magnitud
utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie
de todo tipo de radiación electromagnética. En unidades del sistema
internacional se expresa en W/m².
La radiación es aprovechable en sus componentes: directa y difusa, o
en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega
directamente del Sol, sin reflexiones o refracciones intermedias. La
difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna, gracias a los
múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera,
en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La
radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización,
40
mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de
todas las direcciones.
La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares)
fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un
valor medio de 1.354 W/m², que corresponde a un valor máximo en
el perihelio de 1.395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1.308
W/m². La figura 6 muestra el perihelio y el afelio en la orbita
terrestre alrededor del sol.
FIGURA 6 Orbita Terrestre Fuente: http://www.wikipedia.com
En la superficie terrestre la insolación diaria queda bastante alejada de
los niveles extra-atmosféricos, por efecto de la absorción, la reflexión
(efecto “albedo”) y la dispersión de radiación por parte de las nubes y
del resto de elementos químicos en suspensión que, además de
recortar los niveles de radiación directa que llega a la tierra la
transforman en radiación difusa. Como ejemplo, en días soleados mas
del 90% de la radiación es directa, superando 1.000 W/m2 a nivel de la
superficie de la tierra; en cambio, para días semi-nublados se reduce
hasta 600 W/m2 , en días nublados llega a 300 W/m2 y en días con
niebla se puede llegar hasta 100 W/m2.
La fracción de energía solar absorbida por la tierra a lo largo de un año,
representa 7 mil veces el consumo energético mundial o 14 mil veces
41
la producción mundial de petróleo. Se estima que el Sol brillará por
10.000 millones de años, o más, de allí que su energía se considera,
para efectos prácticos, como inagotable.
9. Colectores solares del tipo cilíndrico-parabólico:
9.1 Principio de funcionamiento.
De acuerdo a la literatura, los colectores solares del tipo cilíndrico-
parabólico constituyen la tecnología mas adecuada para generar calor
a temperaturas medias, aprovechando la Energía Solar. Este es el
rango de temperatura que requiere la Industria Petrolera, y por esta
razón fueron seleccionados.
La captación de la radiación solar de este tipo de colectores es
sumamente elemental y se fundamenta en su geometría. La figura 7
muestra la fotografía de un colector, incluyendo la tubería que recibe
el calor emanado del colector.
42
FIGURA 7.
Fotografía de un Colector solar del tipo Cilíndrico-Parabólico
Fuente: CIEMAT
Un corte transversal de este colector se muestra en la figura 8.
FIGURA 8
Principio de funcionamiento del colector solar
del tipo cilíndrico-parabólico Fuente: Nava, Jaimar
43
La sección transversal de un colector del tipo Cilíndrico-Parabólico es
un arco de círculo. Gracias a esta geometría, todo rayo de sol que
incide sobre él, se refleja en trayectoria hacia el centro del círculo,
donde se encuentra ubicada la tubería. A través de ella fluye aceite o
agua, en estado líquido y absorbe el calor transferido a la tubería. Al
líquido que fluye a través de la tubería se le conoce comúnmente
como Fluido Caloportador. Finalmente, al hacer circular el Fluido
Caloportador a través de varios colectores y recibir en cada uno de
ellos una mayor cantidad de calor, su temperatura se incrementa
progresivamente. La temperatura final de este fluido dependerá de:
La radiación solar, el número de colectores solares instalados y las
dimensiones de los colectores.
La mayoría de los colectores se fabrican con aluminio, y en algunos
casos la lámina de aluminio es revestida con espejos para maximizar
el reflejo de la luz solar. Para optimizar su rendimiento, los colectores
disponen de un sistema giratorio, que permite seguir el movimiento
relativo del sol, de manera que a todo momento reciben la máxima
radiación solar.
La tubería utilizada es de metal, y está precedida por una tubería de
vidrio. La figura 9 muestra un corte transversal idealizado sobre el
sistema de tuberías concéntricas de vidrio y metal.
44
FIGURA 9
Corte transversal idealizado de tuberías de vidrio y metal. Fuente: Nava, Jaimar
El vidrio es transparente a la radiación solar pero es opaco a la
radiación infrarroja. Al colocar vidrio entre la tubería metálica y la luz
del sol reflejada por los colectores, impide el paso de la radiación de
mayor longitud de onda que emite la tubería metálica al calentarse.
De esta forma se produce una “trampa energética de radiaciones”,
que impide que la energía radiante que ha atravesado el vidrio vuelva
a salir, esta trampa constituye el denominado efecto invernadero. El
vidrio también evita el contacto directo de la tubería con el aire
ambiente con lo que, además, se evitarán las pérdidas de calor por
convección.
La figura 10 muestra un grupo de colectores solares en
funcionamiento, en la PSA, Almería, España.
45
FIGURA 10
Vista del campo solar del LAZO DISS – ALMERÍA – ESPAÑA. Fuente: CIEMAT
El Fluido Caloportador pasa a un sistema de almacenamiento de
calor, constituido por sales, capaces de almacenar el calor captado a
objeto de garantizar un funcionamiento continuo del sistema durante
las 24 horas del día.
La generación de vapor puede ser directa o indirecta. La generación
directa es aquella en la cual se hace fluir agua liquida a través de la
tuberías concéntricas a los colectores hasta generar el vapor. La
generación indirecta se refiere al uso de aceites sintéticos que
circulan a través de las tuberías concéntricas a los colectores. Luego
que el aceite es suficientemente calentado pasa por un sistema de
intercambiador de calor a objeto de transferir el calor absorbido al
agua y llevarla al estado de vapor. El vapor generado mueve las
turbinas que a su vez hace girar a los generadores eléctricos en la
PSA.
La tecnología de colectores cilindro-parabólicos aplicada a la
producción de electricidad, en la que fue pionera la planta DCS
46
(Distributed Colector System, 1981) de la Plataforma Solar de
Almería, España, goza de elevada madurez técnica y comercial,
gracias a la valiosa experiencia aportada por las plantas solares SEGS
(Solar Electric Generating System) de California, que en la actualidad
producen más del 90 % de la energía solar termoeléctrica mundial.
Estas nueve plantas, construidas entre 1984 y 1991, y situadas en el
desierto de Mojave (Barstow), cuentan con un campo de colectores
cuya extensión supera los 2 millones de metros cuadrados y utilizan
como fluido caloportador aceites sintéticos. Representan un total de
354 MWatts conectados a la red eléctrica, distribuidos en plantas con
potencias entre 14 y 80 MWatts, sin sistemas de almacenamiento
térmico (excepto una) y con calderas auxiliares de gas. Anualmente,
suministran 800 millones de kWh a un costo de generación de 0,12-
0,14 Euro/kWh.
Con el fin de reducir costos y simplificar el mantenimiento de las
plantas con colectores cilindro-parabólicos, se están desarrollando
diversos proyectos en promoción con carácter de explotación en
régimen comercial en España, EE.UU (Nevada), Marruecos, Argelia,
Israel, Egipto, India, Irán, Sudáfrica y México. Así, en Boulder
(Nevada) ya está en marcha la tercera mayor planta termoeléctrica
del mundo. Se trata de una planta de Solargenix de 64 MWatts
constituida por 19.300 colectores cilindro-parabólicos suministrados
por Schott Solar cuya conexión a red se realizó en 2007.
Entre las vías más empleadas de reducción de costos destacan: el
aporte energético auxiliar a partir de combustibles fósiles (centrales
híbridas), la integración de los colectores solares en plantas de ciclo
combinado, la utilización de métodos innovadores de concentración
solar (reflectores lineales de Fresnel, desarrollados en la Universidad
de Sydney, etc.), así como la generación directa de vapor en los
propios tubos receptores de los colectores. Adicionalmente, existen
47
iniciativas para desarrollar sistemas de almacenamiento térmico en
centrales “solo solar” y aumentar la durabilidad de los tubos
absorbedores. Así, pese a la limitación tecnológica que supone que la
máxima temperatura de trabajo de este tipo de colectores no supera
los 450°C, la incorporación de todas estas mejoras, la previsible
producción en masa de los componentes y la aparición de un mayor
número de suministradores, podrían permitir reducir los costos de
generación a 0.08 Euro/Kwh, a mediano plazo, siendo el objetivo a
conseguir un precio de 0,04 Euro/Kwh.
La Plataforma Solar de Almería (PSA), España, representa un icono
en la aplicación de esta tecnología. La PSA, perteneciente al Centro
de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas
(CIEMAT), es el mayor centro de investigación, desarrollo y ensayos
de Europa dedicado a las tecnologías solares de concentración.
Desarrolla sus actividades integrada como una División de Ingeniería
y Desarrollo dentro de la estructura del Departamento de Energía del
CIEMAT.
48
FIGURA 11
Plataforma solar de Almería - Vista Aerea
Fuente: CIEMAT: PSA – Informe anual 2007
La PSA está situada en el Sudeste de España en el Desierto de
Tabernas a 37º 05’ 27,8’’ Latitud Norte y 2º 21’ 19’’ Longitud Oeste.
Recibe una insolación directa anual por encima de los 1.900
kWh/(m2·año) y la temperatura media anual está en torno a los
17°C.
La capacidad que tiene la PSA de ofrecer a los investigadores una
localización de características climáticas y de insolación similares a
las de los países en vías de desarrollo de la franja ecuatorial (donde
radica el mayor potencial de energía solar) pero con todas las
ventajas propias de las grandes instalaciones
científicas de los países europeos más avanzados, la convierten en un
lugar privilegiado para la evaluación, la demostración y la
transferencia de las tecnologías solares.
49
En la actualidad, las principales instalaciones de ensayos disponibles
en la PSA son:
• Los sistemas de receptor central CESA-1 y SSPS-CRS de 7 y 2,7
MWatts, respectivamente.
• El sistema de colectores cilindro-parabólicos SSPS-DCS de 1,2
MWatts, que tiene asociado un sistema de almacenamiento térmico
y una planta de desalación de agua.
• El lazo de ensayos DISS (Direct Solar Steam) de 1,8 MWatts, que
constituye un excelente sistema experimental para la investigación
del flujo bifásico y la generación directa de vapor para producción de
electricidad.
• El lazo de ensayos HTF, dotado de un completo circuito de aceite
que permite la evaluación de nuevos componentes para colectores
cilindroparabólicos.
• El lazo de tecnología ‘Fresnel lineal’, denominado FRESDEMO.
• El sistema de colectores cilindro-parabólicos denominado “Lazo de
Ensayos para Fluidos Innovadores”.
• Una instalación con 6 sistemas disco-Stirling denominada DISTAL.
• Un horno solar de 60 kWatts para procesos de tratamiento térmico
de materiales.
• Una instalación múltiple para aplicaciones de destoxificación solar,
compuesta de un lazo de colectores cilindro-parabólicos con
seguimiento en dos ejes y tres lazos de fotorreactores tipo CPC,
para la realización de diferentes tipos de ensayos.
• El Laboratorio de Ensayo Energético de Componentes de la
Edificación (LECE).
• El edificio ARFRISOL, parte integrante del ‘Proyecto Singular
Estratégico’ del mismo nombre, y que es un contenedor-
demostrador de las más avanzadas tecnologías para el ahorro y la
eficiencia energética en la edificación.
• Una estación meteorológica integrada en la ‘Baseline Surface
Radiation Network’ (BSRN).
50
FIGURA 12
Ubicación de las Principales instalaciones de ensayo de la PSA
Fuente: CIEMAT: PSA – Informe Anual 2007
La planta experimental DISS, fue montada y puesta en
funcionamiento en el año 1998, con el fin de llevar a cabo
experimentos relacionados con la generación directa de vapor a alta
presión y temperatura (100 bar/400ºC) en los tubos absorbedores de
colectores cilindro-parabólicos. La planta DISS es la única instalación
existente actualmente en el mundo para el estudio bajo condiciones
solares reales de todos aquellos procesos en los que se genere un
flujo bifásico agua/vapor en colectores cilindro-parabólicos. Resulta
muy apropiada no solo para el estudio y desarrollo de esquemas de
control para campos solares que funcionan con generación directa de
vapor, sino también para el estudio y optimización de los
procedimientos de operación que deben implementarse en este tipo
de campos solares. Otras de las posibles aplicaciones de esta planta
son: el estudio de los coeficientes de transferencia de calor en tubos
horizontales por cuyo interior circula un flujo bifásico agua/vapor, y el
ensayo de componentes para campos solares de colectores cilindro-
parabólicos con generación directa de vapor en sus tubos
absorbedores.
51
La planta DISS consta de dos subsistemas: el Campo Solar con
colectores cilindro-parabólicos, y el Sistema de Potencia. En el campo
solar, el agua de alimentación es precalentada, evaporada y
convertida en vapor sobrecalentado conforme circula por los tubos
absorbedores de una fila de colectores cilindro-parabólicos de 665 m
de longitud y 3.838 m2 de superficie de captación solar. La
instalación de dos nuevos colectores en el año 2003 ha permitido
aumentar hasta 1 kg/s el caudal nominal de vapor sobrecalentado
que puede producir la fila de colectores DISS.
FIGURA 13
LAZO DISS en operación Fuente: CIEMAT: PSA – Informe Anual 2007
52
FIGURA 14
Esquema Simplificado del lazo DISS existente en la PSA Fuente: CIEMAT: PSA – Informe anual 2007
El Sistema de Potencia de la planta DISS es el lugar donde el vapor
sobrecalentado producido por el campo solar es condensado,
procesado y utilizado de nuevo como agua de alimentación para el
campo solar (funcionamiento en ciclo cerrado). Esta instalación en su
conjunto posee un alto grado de flexibilidad de operación, pudiendo
trabajar hasta 100 bar de presión en función de las necesidades, y
con cualquiera de los tres procesos básicos de generación directa de
vapor: Recirculación, Inyección y Un-Solo-Paso, o combinación de
ellos. Habitualmente se trabaja en tres niveles diferentes de presión,
30, 60 y 100 bar. Además, está dotada de una completa gama de
instrumentos que permiten una total monitorización del sistema
La Figura 14 muestra el esquema simplificado de la planta DISS. En
ella se observa que el campo solar consta de una fila compuesta por
13 colectores solares cilindro-parabólicos cuyo eje de rotación esta
orientado en la dirección norte-sur. Los colectores están compuestos
por módulos reflectantes cilindro-parabólicos de 12 m de largo y 5,76
m de ancho. El campo solar consta de dos partes: la sección de
precalentamiento/evaporación, y la sección de sobrecalentamiento. Al
53
final de la sección de precalentamiento/evaporación existe una
bomba de recirculación y un separador agua/vapor que aumentan la
flexibilidad operativa del sistema. El Sistema de Potencia consta de
separadores de agua/vapor, condensadores, sistema de dosificación
química, precalentadores, desgasificador y bombas de agua.
Una de las características más importantes de la planta DISS es la
posibilidad de medir el gradiente térmico en secciones transversales
de los tubos absorbedores de los colectores solares cilindro-
parabólicos.
En Sanlucar la Mayor, Sevilla, España, se ejecutó el proyecto
comercial Solnova I. La superficie de captación está formada por
aproximadamente 311.040 m2 de espejos en una superficie total de
unas 115 hectareas. La generacón electrica es de 50 MW. Esta
constituido por 90 lazos. Cada lazo está constituido por 4 colectores.
Un colector esta compuesto por 12 módulos o unidades. Un modulo
mide 12,5 m de largo y 5,76 m de apertura, lo cual representa un
área aproximada de 72 m2, cada modulo. El requerimiento áreal
aproximado es de 6.221 m2/ MW. Es decir, se requieren
aprximadamente 6.221 m2 de espejos para generar 1 MW. Este valor
se obtiene al dividir la superficie total de espejos entre la energía
total generada.
La figura Nº 15 muestra el esquema, simplificado, de funcinamiento
de la planta Solnova I
54
FIGURA 15
Esquema de funcionamiento de la planta termosolar Solnova 1
Fuente: abengoa solar
También el gobierno de China proyecta la construcción de una planta
termosolar utilizando colectores cilindro-parabólicos, la cual generará
1.000 MW para el año 2020. Estará ubicada al norte de Mongolia,
región autónoma de China, con un costo estimado de 2.500 millones
de US$. La construcción de la primera fase está prevista para
ejecutarse de forma rápida y proporcionará 50 MWatts de
electricidad.
En los Estados Unidos de América también existen plantas de
generación eléctrica utilizando colectores solares del tipo cilíndrico-
parabólico, muy especialmente en el Desierto de Mojave, ubicado en
el Estado de California, el cual se extiende a los estados de Utah y
Nevada.
55
Toda la experiencia existente al presente sobre aprovechamiento de
la Energía Solar, se limita a la Industria Electrica. El proyecto
Aplicación de la Energía Solar En La Industria Petrolera, desarrollado
por la UNEFA-ZULIA, propone transferir esta experiencia a la
Industria Petrolera, y está inspirado en la PSA.
10. Análisis Térmico de Colectores Solares:
10.1. Teoría de Duffie y Beckman
John A. Duffie y William A. Beckman publicaron en 1974 la primera
edición de su libro: Solar Engineering of the Thermal Processes. En el
se detallan las ecuaciones necesarias para calcular el calor captado
por los colectores solares. Sin lugar a dudas, el modelo propuesto por
estos autores goza de aceptación mundial y su uso resulta el más
generalizado.
Según Duffie y Beckman, para un colector solar cilíndrico-parabólico
se puede establecer un balance de energía en estado estacionario
mediante la siguiente ecuación:
Energía Producida = Energía Captada – Energía Disipada
Ecuación 13
En la figura 16 se muestra de manera esquemática el balance térmico
en el colector.
56
FIGURA 16
Esquema Ilustrativo de un Colector Solar Cilíndrico-Parabólico
Fuente: Jutglar, Lluís
La energía por unidad de tiempo captada por el receptor depende de:
la radiación solar total (H t,s), la superficie de captación y de los
parámetros que determinan las pérdidas ópticas del sistema. De
acuerdo a los autores, esta energía viene dada por:
Energía Captada por unidad de tiempo = H t,s .Aa . Ecuación14
Donde:
H t,s : Radiación solar total que incide sobre el colector.
Aa: Superficie total de apertura de los colectores.
:: Transmitancia de una cubierta transparente
: Absortancia de la superficie absorbente
: Factor de interceptación: Cociente entre la radiación interceptada
por el receptor y la radiación total reflejada por la superficie
especular.
: Reflectancia media del espejo
El producto (considera la transmitancia del tubo de vidrio, que aísla la
superficie absorbente del exterior, y la absorbancia de esta superficie.
El factor de interceptación es el cociente entre la radiación
interceptada por el receptor y la radiación total reflejada por la
superficie especular.
57
Duffie y Beckman sugieren los siguientes valores para los parámetros
mencionados en la ecuación 14:
Parámetro Valor sugerido
0,88
α 0,90
0,76
ρ 0,92
TABLA N 2.
Valores teóricos de los parámetros ópticos.
Fuente: Duffie y Beckman, 1991.
El ángulo que forma el plano del ecuador terrestre con la dirección en
que se encuentra el sol se llama declinación, denotada como δ y varía a
lo largo del año. A menudo, y con la finalidad de simplificar
razonablemente los cálculos, se utiliza un día tipo para cada mes. Este
día tipo se define como el día teórico que presentaría un
comportamiento medio representativo del mes. En la tabla Nº 3 se
indican los días tipo de cada mes y el valor de la declinación:
TABLA 3.
Valores medios de la declinación (δ)
Fuente: Jutglar, Lluís
58
La energía por unidad de tiempo disipada por convección y radiación,
se presenta en la ecuación 15:
Energía Disipada por unidad de tiempo = Ar.Ucr.(Tm – Ta)
Ecuación 15
Aur = 2π.r.L , ecuación para calcular el área de un cilindro.
Ecuación 16
Donde:
Ar = Superficie total de los receptores.
Aur = Superficie unitaria del receptor.
Ar=N x Aru Ecuación 17
N: Numero de módulos.
Ucr: Coeficiente de transmisión por convección y radiación referido a
la superficie receptora.
Tm: Temperatura media del módulo.
Ta: Temperatura ambiente.
r: Radio del receptor
L: Longitud unitaria del receptor. Este valor es igual a la longitud del
módulo.
El valor promedio del coeficiente de transmisión recomendado por
Duffie y Beckman es de 3,70 W/m2.°C. El factor de concentración
viene dado por Aa/Ar y puede llegar a ser del orden de 10.000 en
sistemas de alta concentración. Por esta razón, los colectores solares
del tipo cilíndrico-parabólico, pueden generar calor a temperaturas
muy elevadas con rendimientos bastante aceptables. Además el nivel
térmico alcanzado será tanto mayor cuanto mayor sea el factor de
concentración. En la figura 17 se ha representado la variación de la
temperatura estimada del receptor en función del factor de
concentración Aa/Ar, según Duffie y Beckman.
59
FIGURA 17
Relación entre el factor de concentración y la temperatura media del colector solar.
Fuente: Duffie y Lof
La curva límite inferior indica la temperatura del colector, para la cual
la energía absorbida se iguala con las pérdidas, no hay producción de
calor útil y su rendimiento es nulo. La zona sombreada corresponde
a un colector funcionando correctamente, en condiciones usuales de
marcha y con un rendimiento comprendido entre el 40 y 60%.
60
CAPITULO III
MARCO METODOLÓGICO
Este capítulo tiene como propósito presentar el tipo y diseño de la
investigación, así como también la población y muestra, técnicas de
recolección de datos, técnicas de análisis de datos y el procedimiento
de la investigación. De esta forma será posible presentar los
resultados de la investigación con el nivel de confiabilidad y objetividad
necesarios para validar el proceso de investigación.
Operacionalización de las Variables
Con fundamento en los objetivos específicos, se elaboró el cuadro de
variables mostrado el la tabla Nº 4.
61
Tabla 4. Cuadro de Variables
1. Tipo de Investigación
Se espera elaborar una propuesta que sirva como basamento teórico
para en un futuro sustituir el gas natural por energía solar para el
Calentamiento de Petróleo necesario para la deshidratación de crudos
Objetivo general: Demostrar la factibilidad técnica de calentar petróleo en las Plantas de Deshidratación de Tierra
Este Pesado utilizando Energía Solar.
Objetivos Específicos Variable Dimensión Indicadores Autores
Describir el
funcionamiento de los
calentadores a gas
utilizados en las Plantas
de Deshidratación de
Crudo de Tierra Este
Pesado.
Calentamiento de
petróleo mediante
Energía Solar en las
Plantas de
Deshidratación de
Tierra Este Pesado
Características del
calentamiento de
petróleo a partir del gas
natural
Materia Prima para
el calentamiento a
partir de gas natural.
La Combustión en
el calentamiento a
partir de gas natural
Rendimiento térmico
del calentamiento a
partir de gas natural
(Eficiencia)
NAVA,
JAIMAR
PDVSA
Describir los colectores
solares del tipo cilíndrico-
parabólico.
Factibilidad del
calentamiento de
petróleo mediante
energía solar.
Análisis Térmico de
Colectores Cilíndricos-
Parabólicos
Duffie y
Beckman
Jutglar
Analizar el consumo de
gas de los calentadores.
Volumen de gas
requerido para
calentamiento
Caudal de petróleo
a calentar
Caudal de agua a
calentar.
Poder calorífico del
gas.
NAVA,
JAIMAR
PDVSA
Diseñar una planta para
calentar petróleo con
colectores solares del tipo
cilíndrico-parabólico.
Cantidad de colectores
necesarios para el
calentamiento de
petróleo y agua durante
24 horas.
Cálculo de
colectores para las 10
horas de irradiancia
solar.
Cálculo de
colectores para las 14
horas restantes.
Sistema de
almacenamiento de
calor.
Duffie y
Beckman,
Jutglar
Abengoa
Solar
Nava,
Jaimar
Evaluar el diseño de la
planta para calentar
petróleo con colectores
solares del tipo cilíndrico-
parabólico.
Sustitución del gas
natural por Energía
Solar
Energía generada
por gas natural.
Balance de energía
de la planta solar.
Duffie y
Beckman
Abengoa
Solar
Jutglar
62
pesados. El tipo de investigación es descriptiva puesto que se
estudian las variables tal como se presentan, sin hacer referencia, ni
hipótesis, resuelve un problema concreto. (Nilda Chávez, 1994).
El problema en la investigación es la dificultad de calentar crudos
pesados para su deshidratación, utilizando gas natural. También
afirma Méndez, C. (1988) que un estudio descriptivo establece
“descubrir y comprobar la posible asociación de las variables de
investigación”.
2. Diseño de la Investigación
Según Hernández y otros (1998), el diseño propuesto para esta
investigación es no experimental puesto que no se construye ninguna
situación, sino que se observan situaciones ya existentes, no
provocadas intencionalmente por el investigador. El estudio se
realizará sin manipular deliberadamente las variables independientes.
El diseño de investigación no experimental, es considerada una
investigación sistemática, por lo dicho anteriormente, las influencias
sobre las relaciones entre variables se realizan sin intervención o
influencia directa y dichas relaciones se observan tal y como se han
dado en su contexto natural. El mismo autor indica que, además de
ser no experimental, corresponde la presente investigación al diseño
transversal descriptivo, ya que tiene como objetivo indagar la
incidencia y los valores en que se manifiesta una o más variables.
63
3. Población y Muestra
El Universo del estudio estará comprendido por el personal técnico
perteneciente a la Gerencia de Operaciones de Producción de Tierra
Este Pesado. La población quedó constituida por 44 especialistas en el
área de generación de vapor para la extracción de crudo pesado y
extrapesado. No se seleccionó muestra ya que se tiene acceso a ella
por la poca cantidad de unidades de investigación y su ubicación
fácilmente realizada. La muestra es de tipo probabilística en razón de
que siendo tan pequeño el universo, el investigador decidió tomarlo
como muestra. De haber seleccionado una muestra probabilística,
resultaría insignificante a efectos del cumplimiento de los objetivos
propuestos. La distribución de la muestra se observa en la tabla 5.
Muestra
Descripción Cantidad
Gerente de Operaciones 1
Líder de Planta 4
Ingenieros de Planta 12
Ingenieros de Proyecto 4
Ingeniero de Instalaciones 8
Mantenedores 15
Total 44
TABLA 5
Distribución de la muestra Fuente: Nava, Jaimar 2009
4. Técnicas de Recolección de Datos
“La investigación no tiene significado sin las técnicas de recolección
de datos. Estas técnicas conducen a la verificación del problema
planteado. Cada tipo de investigación determinará las técnicas a
utilizar y cada técnica establece sus herramientas, instrumentos o
medios que serán empleados” Bavaresco (2006).
64
Según Sabino (1997), “un instrumento de recolección de datos es, en
principio, cualquier recurso de que pueda valerse el investigador para
acercarse a los fenómenos y extraer de ellos información”.
Luego de una exhaustiva búsqueda de los posibles instrumentos de
medición para obtener la información sobre la variable en estudio ya
descrita anteriormente en la tabla 10, se utilizaron encuestas y
entrevistas con el instrumento como cuestionario. Para llevar a cabo la
investigación se aplicó cuestionario a especialistas en el
Calentamiento de Petróleo que constituyen la población de estudio.
5. Descripción del instrumento.
Se diseñó un cuestionario denominado CPP-01 dirigido al personal
técnico como se muestra en el Anexo M, con la intención de recopilar
información sobre las características e impacto del calentamiento de
petróleo a partir del gas natural, considerando aspectos técnicos,
ambientales, económicos y sociales. Este instrumento esta
estructurado en 22 ítems con alternativas de repuestas abiertas,
selecciones simple, múltiples y dicotómicas.
Una vez realizado el cuestionario, la forma de aplicarlo será de
manera auto administrada, es decir, se proporcionará directamente a
los sujetos de la muestra. Los ítems y su relación con la variable a
medir se muestran en la tabla 6 que sigue a continuación:
65
TABLA 6
Sistematización de la Información
Variable Dimensión Indicadores Ítems Técnica Fuente
Calentamiento de
petróleo
mediante Energía
Solar en las
Plantas de
Deshidratación
de Tierra Este
Pesado
Características del
calentamiento de petróleo
a partir del gas natural
Materia Prima para el
calentamiento a partir de
gas natural.
1,2,3
Encuesta CPP-01
Entrevista
Personal Técnico
La Combustión en el
calentamiento a partir de
gas natural
4,5
Rendimiento térmico del
calentamiento a partir de
gas natural
6,7
Factibilidad del
calentamiento de petróleo
mediante energía solar
Análisis Térmico de
Colectores Solares
Cilíndrico-Parabólicos
8
Volumen de gas requerido
para calentamiento
Caudal de petróleo a
calentar
9,10,11,12,13
Caudal de agua a
calentar
14,15,16,17
Poder calorífico del gas. 18
Cantidad de colectores
necesarios para el
calentamiento de petróleo
y agua durante 24 horas.
Calculo de colectores
necesarios para las 10
horas de irradiancia
solar.
19
Cálculo de colectores
necesarios para las 14
horas restantes.
19
Sistema de
almacenamiento de
calor.
20
Sustitución del gas natural
por Energía Solar
Energía generada por
gas natural.
21
Balance de energía de la
planta solar 22
66
a.- Validez y Confiabilidad de los Instrumentos
Como todo instrumento de medición o recolección de información, los
resultados adquiridos deben someterse a un proceso de verificación,
para certificar el comportamiento de las variables de estudio como
información objetiva, permitiendo la validez y confiabilidad de la
investigación.
b.- Validez
Según Chávez, N. (1994) la validez "es la eficacia con que un
instrumento mide lo que se pretende". No se expresará en término de
índice numérico. Se basa en la necesidad de discernimiento y juicios
independientes entre expertos. Sus opiniones fueron recolectadas en
un instrumento (Anexos N y O).
Para verificar la correspondencia de los instrumentos con el contexto
teórico planteado se aplicó a ocho (8) expertos en el área, con
conocimientos en metodología de la investigación, se recolecto la
información sobre la pertinencia de los ítems con los objetivos y sus
indicadores, así como la claridad en la redacción y el tipo de ítem.
Además de observaciones para mejorar el instrumento.
c.- Confiabilidad
Se puede definir como la estabilidad o consistencia de los resultados
obtenidos. Es decir, se refiere al grado en que la aplicación repetida del
instrumento, al mismo sujeto u objeto, produce iguales resultados.
Para estimar la confiabilidad, se puede dividir el instrumento en dos
mitades, una mitad con los ítems pares y la otra con los ítems impares.
Luego, se calcula el Índice de Correlación de Pearson, con la ecuación
43 mostrada a continuación:
67
Ecuación 43
Donde:
r = Coeficiente de correlación de Pearson para la confiabilidad.
Xp = ítems pares.
X¡ = ítems impares.
n = Número de sujetos.
Luego se aplica la fórmula de corrección de Spearman-Brown, la cual se
calcula mediante la ecuación 44:
Ecuación 44
Donde:
R: Coeficiente de confiabilidad de la dos mitades corregido.
Según Chávez, N. (1994), la corrección por Spearman-Brown "se debe
realizar debido a que cada mitad de la prueba contenía sólo una parte
de lo ítems, por lo que es necesario estimar la confiabilidad del test
completo". Para su aplicación se descartan aquellos ítems del
instrumento cuyo propósito sea el de obtener una opinión del
encuestado.
d.- Resultados de Validez y Confiabilidad
De acuerdo a la información obtenida en la aplicación del
instrumento CPP-01 se procedió a realizar las pruebas de juicio de
68
expertos (Especialistas en Metodología de la Investigación. Los
resultados del juicio de los 8 (ocho) expertos para el cuestionario se
muestran a continuación:
TABLA 7
Resultados del cuestionario CPP-01- Juicio de expertos . Fuente: Nava, Jaimar
Los expertos coincidieron en afirmar que más de un 90% de los ítems
eran adecuados con respecto a la pertinencia de estos con referencia a
los objetivos y sus indicadores, permitiendo afirmar a su vez, que los
ítems miden los indicadores de manera suficiente y que el diseño es
conveniente.
Con respecto a las observaciones, estas permitieron mejorar la
redacción y el tipo de pregunta que se realizaba, con esto se elaboró
una segunda versión de los cuestionarios con las modificaciones
sugeridas.
De igual manera, de acuerdo a la información obtenida en la
aplicación del instrumento CPP-01 se procedió a realizar las pruebas
de confiabilidad.
Juicio Tipo de
Pregunta Redacción
Pertinencia
Objetivos Dimensión Indicador
1 100,00 92,86 71,43 98 100,00 2 85,71 85,71 100,00 100 100,00 3 100,00 100,00 71,43 73 92,86 4 100,00 100,00 100,00 100 100,00 5 100,00 85,71 100,00 96 100,00 6 85,71 100,00 85,71 84 100,00 7 71,43 71,43 100,00 100 100,00 8 100,00 100,00 100,00 100 100,00
Promedio
92,86 91,96 91,07 93,9 99,11
69
En la siguiente tabla se reflejan las respuestas del cuestionario CPP-01
agrupadas por ítems pares e impares, datos necesarios para la
aplicación del método de las dos mitades, con el objeto de calcular el
coeficiente de confiabilidad correspondiente.
ítems
Xp.X¡ Xp2 Xi
2
Sujetos Pares (Xp) Impares (Xi)
1 54 52 2808 2916 2704
2 53 54 2862 2809 2916
3 43 49 2107 1849 2401
4 46 51 2346 2116 2601
5 53 54 2862 2809 2916
6 52 52 2704 2704 2704
7 52 54 2808 2704 2916
8 55 55 3025 3025 3025
Total 408 421 21522 20932 22183
TABLA 8
Totalización de frecuencias de respuestas pares e impares del cuestionario CPP-01
Fuente: Nava, Jaimar
La construcción de la tabla 8 se muestra en el anexo P, con la totalización
del juicio de cada metodólogo (sujeto) para cada ítem.
Con los valores extraídos de la tabla 8, y con la ayuda de Microsoft Excel,
se obtuvieron los parámetros necesarios para calcular el Índice de
Correlación de Pearson, para luego ser introducidos en la ecuación 43:
70
n= 8
XpXi = 21522
Xp = 408
Xp2 = 20932
( Xp)2 = 166464
Xp Xi171768
Xi = 421
Xi2 = 22183
Xi)2 = 177241
Sustituyendo valores en la ecuación 43 se obtiene:
Luego se aplica la corrección de Spearman-Brown, ecuación 44,
para corregir la confiabilidad obtenida por Pearson.
El resultado del método División por Mitades, ya corregido, arrojó como
resultado confiabilidad R=0,93, lo cual indica que los Ítems guardan
una correlación positiva fuerte, ya que el índice obtenido está próximo a
1,0, de lo cual se infiere que el instrumento CPP-01 es confiable.
71
Técnicas de Análisis de Datos
La técnica de análisis y procesamiento de los datos que se utilizará
será la estadística descriptiva, en correspondencia con el tipo de
investigación, para ello se realizará un análisis frecuencial con el
programa Microsoft Excel 2003, en atención a la variable,
dimensiones e indicadores.
Los pasos para llevar a cabo este análisis y su procesamiento son los
siguientes:
Aplicar los instrumentos de medición de la variable objeto de
estudio. Los instrumentos deben tener alta confiabilidad y validez
para que los resultados sean precisos.
Recolectar la información suministrada por los instrumentos.
Procesar la información mediante una herramienta
computarizada.
Tabular las respuestas, con la construcción de una matriz de
entradas múltiples que reflejen los resultados en puntaje de cada
ítem.
Utilizar un programa estadístico para ordenar las respuestas
codificadas en valores de frecuencias y valores medios
Finalmente se realiza el análisis de los resultados obtenidos,
con las conclusiones y recomendaciones respectivas.
Los resultados de estos análisis se publican en tablas con los
elementos que sistematizan la investigación.
6. Procedimientos de la Investigación
A continuación, en la figura 18, se describe de forma esquemática,
las etapas que se llevarán a cabo para poder dar cumplimiento a los
objetivos planteados en la investigación.
72
FIGURA 18
Etapas para el desarrollo de la investigación. Fuente: Nava, Jaimar
Una vez realizado un diagnóstico del escenario actual en materia de
calentamiento de petróleo, la recopilación de datos de campo y
revisión bibliográfica, se procederá a realizar un análisis térmico de
los colectores solares.
La metodología propuesta por Duffie y Beckman, sugiere determinar
los valores de cuatro parámetros fundamentales para llevar a cabo el
análisis térmico del sistema. Estos parámetros son: la radiación solar
total, la superficie del receptor, la superficie de apertura del colector
y el número de colectores.
Para determinar estos cuatro parámetros fundamentales es necesario
realizar los siguientes pasos:
1. Determinar el ángulo horario de puesta para una superficie
horizontal
Revisión Bibliográfica
Selección de la Muestra
Personal Técnico
Análisis Térmico
Instrumento CPP-01
Factibilidad del Calentamiento de Petróleo Mediante Energía Solar en las
Plantas de Deshidratación
73
2. Determinar el ángulo horario de puesta para la superficie
inclinada
3. Determinar el factor Rb para pasar la radiación directa de la
horizontal a la inclinada.
4. Determinar la radiación solar total
5. Determinar el calor requerido para el Calentamiento de Petróleo
6. Determinar la superficie de apertura del colector
7. Determinar la superficie del receptor
8. Determinar el número de colectores solares
Terminado el proceso de validación y confiabilidad de los
instrumentos, se utilizó el software Microsoft Excel, para vaciar la
información de los cuestionarios, luego con el software Matlab 7.1, se
procedió a realizar los cálculos de las frecuencias y porcentajes con
los respectivos cuadros y gráficos, los cuáles permitirán verificar si es
factible el calentamiento de petróleo mediante energía solar.
Una vez que se obtiene la tabla 12 (Sistematización de la
información) y se mide la variable de estudio, se procede al análisis
de la información, obtenida mediante las técnicas aplicadas para la
variable de estudio Calentamiento de Petróleo Mediante Energía
Solar.
Culminada la realización de los cálculos, se procedió a la tabulación y
análisis de los cuestionarios aplicados al personal técnico y
especialistas en el área de calentamiento de petróleo, obteniéndose
los resultados que a continuación se detallan.
La variable de estudio se mide a través de sus dimensiones e
indicadores.
74
El primer objetivo específico fue definido como: Describir el
funcionamiento de los calentadores a gas utilizados en las Plantas de
Deshidratación de Crudo de Tierra Este Pesado. Pretende esclarecer
el proceso actual del calentamiento de petróleo mediante gas natural.
De su conocimiento dependerá en gran medida la factibilidad de
sustituir el gas por energía solar. La dimensión definida para este
objetivo fue el impacto del calentamiento de petróleo utilizando gas
natural. Para el análisis de esta dimensión se establecieron 3 (tres)
indicadores:
• Materia Prima para el calentamiento a partir de gas natural.
• La Combustión en el calentamiento a partir de gas natural
• Rendimiento térmico del calentamiento a partir de gas natural
(Eficiencia
A continuación se presenta el resultado de las encuestas para la
discusión de la dimensión, y sus respectivos indicadores.
Dimensión: Impacto del calentamiento de petróleo utilizando gas
natural Esta dimensión de la variable de estudio, tiene como
indicadores, en primer lugar, la materia prima para el calentamiento
de petróleo a partir del gas natural, en segundo lugar la combustión
del gas natural y en tercer lugar el rendimiento térmico del
calentamiento a partir de gas natural.
Indicador: Materia prima para el calentamiento de petróleo a partir
de gas natural.
Este indicador mide la disponibilidad de gas natural para el
calentamiento de petróleo, a través de los siguientes ítems del
cuestionario aplicado CPP-01 obteniéndose los resultados siguientes:
1.- Valore el aporte que supone el Calentamiento de Petróleo con una
ilimitada disponibilidad de gas natural:
75
a. Muy importante __
b. Importante __
c. Poco Importante __
d. Nada Importante __
Los resultados de la encuesta se presentan en la tabla 9.
Categoría Opciones Frecuencias %
a Muy importante 44 100
b Importante 0 0
c Poco importante 0 0
d Nada importante 0 0
TABLA 9.
Análisis del indicador materia prima para el calentamiento de petróleo a partir de
gas natural: disponibilidad de gas ilimitada Fuente: Nava, Jaimar
El 100% de los encuestados cree que para calentamiento de
petróleo, contar con una ilimitada disponibilidad de gas es muy
importante. Este resultado indica la extrema dependencia del
suministro suficiente y continuo de gas natural para el proceso de
calentamiento de petróleo, a objeto de obtener una deshidratación
óptima.
2.- Según su experiencia, ¿cuál es la disponibilidad de gas natural para
el calentamiento de petróleo?
a. Ilimitada __
b. Bastante __
c. Poco __
d. Poco __
e. Nada __
76
Categoría Opciones Frecuencias %
a Ilimitada 0 0
b Bastante 0 0
c Poco 24 55
d Nada 20 45
TABLA 10.
Análisis del Indicador materia prima para el calentamiento de petróleo a partir de
gas natural: disponibilidad de gas actual
Fuente: Nava, Jaimar
Se observa que un 55% del personal técnico considera que hay poco
gas natural el calentamiento de petróleo, mientras que un 45%
considera que no hay nada de gas natural calentamiento de petróleo.
Con este resultado se evidencia la gran escasez de gas natural.
3.- ¿Cuál cree usted que debería ser la temperatura óptima para el
Calentamiento de Petróleo a objeto de obtener una
deshidratación también optima?
a. Más de 88 º C ___
b. Entre 85 y 88 º C ___
c. Entre 75 y 85 º C ___
d. Otro ________
Categoría Opciones Frecuencias %
a Más de 88 º C 4 9
b Entre 85 y 88 º C
40 91
c Entre 75 y 85 º C
0 0
d Otro 0 0
TABLA 11.
Análisis del indicador materia prima para el calentamiento de petróleo a partir de
gas natural. Fuente Nava, Jaimar.
77
Se observa que la mayoría del personal técnico piensa que la
temperatura óptima para obtener una mejor deshidratación debe
estar entre 85 y 88 º C. Esto revela la temperatura de operación
necesaria de los calentadores a gas.
Los planteamientos teóricos respecto a la materia prima para el
calentamiento de petróleo a partir de gas natural, propuestos por
Shield y Kern, concuerdan con los resultados obtenidos de acuerdo a
la opinión del personal técnico-especialista. La relación radica en que
la disponibilidad de la materia prima y la temperatura de
calentamiento son dos de los factores más importantes en el proceso
de calentamiento de petróleo. El consumo de gas natural es
directamente proporcional a la temperatura de calentamiento.
Indicador: La Combustión en el calentamiento de petróleo a partir de
Gas Natural.
Este indicador mide la influencia de la combustión del gas en el
calentador, a objeto de obtener el calentamiento de petróleo óptimo
para la deshidratación de crudos pesados, a través de los siguientes
ítems del cuestionario CPP-01 obteniéndose los resultados siguientes:
4.- ¿Cree que para el Calentamiento de Petróleo a partir de gas
natural es de vital importancia lograr una combustión completa
en el calentador?
a.- SI __
b.- NO__
¿Por qué? ___________________________________________
78
Tabla 12
Análisis del indicador la combustión para el calentamiento de petróleo a partir de
gas natural: Combustión completa. Fuente Nava Jaimar
Se observa que un 93 % del personal técnico cree que lograr una
combustión completa en el calentador es de vital importancia el
calentamiento de petróleo. Con este resultado se evidencia que la
etapa de combustión en el calentador es clave para el calentamiento
de petróleo.
5.- En su opinión, ¿Cuáles son las causas de una mala combustión del
gas en el Calentamiento de Petróleo?
a. Flujo de Combustible __
b. Flujo de Aire __
c. Fluctuación de la Llama__
d. Taponamiento de orificios ___
Categoría Opciones Frecuencias %
a Flujo de Combustible 44 100
b Flujo de Aire 39 88.6
c Fluctuación de la llama 38 86.4
d Taponamiento de Boquillas 30 68.2
TABLA 13
Análisis del indicador la combustión para el calentamiento de petróleo a partir de
gas natural: causas de una mala combustión. Fuente Nava, Jaimar
Se observa que al personal técnico le parece que las causas de una
mala combustión se deben a: Flujo de combustible (100%), flujo de
Opciones Frecuencias %
SI 41 93
NO 3 7
79
aire (39%), fluctuación de la llama (38%) y taponamiento de
boquillas (30%). Estos resultados indican que la una combustión
óptima depende de varios factores simultáneamente.
Los planteamientos teóricos respecto a la combustión en el
Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural, propuestos por
Hewitt y Kern, concuerdan con las opiniones del personal técnico-
especialista. La relación radica en que un proceso óptimo de
deshidratación requiere una combustión completa del gas natural que
permita obtener la temperatura del petróleo también óptima.
Indicador: Rendimiento Térmico del Calentamiento de Petróleo a
partir de Gas Natural (Eficiencia).
Este indicador valora el rendimiento térmico en el Calentamiento de
Petróleo a partir de gas natural para la deshidratación crudos
pesados, a través de los siguientes ítems del cuestionario aplicado CPP-
01, obteniéndose los resultados siguientes:
6.- Califique de 1 (mínimo) a 5 (máximo), la importancia de estos
factores para la deshidratación de crudos.
Pérdidas termodinámicas 1 2 3 4 5
Disponibilidad del Gas natural 1 2 3 4 5
Funcionamiento las 24 horas 1 2 3 4 5
Mantenimiento de los equipos 1 2 3 4 5
Otros
_________________________________________________
80
Opciones 1 % 2 % 3 % 4 % 5 %
Pérdidas termodinámicas 0 -- 0 -- 0 -- 3 6,8 41 93,2
Disponibilidad del Gas Natural 0 -- 0 -- 0 -- 0 -- 44 100
Funcionamiento las 24 horas 0 -- 0 -- 0 -- 40 90,9 4 9,1
Mantenimiento de los equipos 0 -- 5 11,4 35 79,5 4 9,1 0 --
TABLA 14
Análisis del indicador rendimiento térmico en el calentamiento de petróleo a partir
de gas natural: factores para la deshidratación de
Crudos. Fuente Nava, Jaimar
Se observa que la mayor parte del personal técnico opina que tanto
las pérdidas termodinámicas, como la disponibilidad del gas natural
tienen una valoración de 5, el funcionamiento las 24 horas tiene una
valoración de 4 y el mantenimiento de los equipos tiene una
valoración de 3. Es importante destacar que el 100% del personal
técnico le dio una valoración de 5 a la opción disponibilidad del gas
natural. Estos resultados indican que para el Calentamiento de
Petróleo es de vital importancia la disponibilidad del gas natural.
7.- ¿Cuál cree usted que es la eficiencia térmica promedio del
calentamiento de petróleo mediante gas natural?
A. 70 %___
B. Menos de 70 % ____
C. Mas de 70 % ___
D.Otro ________
81
Categoría Opciones Frecuencias %
a 70 % 44 100
b Menos de 70 % 0 0
c Mas de 70 % 0 0
d Otro 0 0
TABLA 15
Análisis del indicador rendimiento térmico en el calentamiento de petróleo a partir
de gas natural: eficiencia promedio . Fuente Nava, Jaimar
Se observa que el total del personal técnico piensa que la eficiencia
térmica promedio de los calentadores a gas es de 70 %. Este valor
es determinante, puesto que determina en gran medida los
requerimientos de gas. Con este resultado se conoce la eficiencia
promedio para efectos de cálculos.
Los planteamientos teóricos respecto al rendimiento térmico en el
Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural, propuestos por
Shield; concuerdan con los resultados obtenidos de acuerdo a la
opinión del personal técnico-especialista. La relación radica en que se
requiere de valores óptimos de temperatura para obtener una buena
deshidratación, y estos valores óptimos de temperatura dependen del
rendimiento térmico.
En la tabla 16 se muestran los resultados de cada uno de los
indicadores pertenecientes a la dimensión características del
Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural, que mide la
variable Calentamiento de Petróleo mediante Energía Solar en las
Plantas de Deshidratación de Tierra Este Pesado, obtenidos a partir
de la aplicación del instrumento CPP-01.
82
Indicador Ítems % Promedio (%)
Materia Prima para el Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural
1 100
82,0 2 55
3 91
La Combustión en el Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural
4 93
96.5
5 100
Rendimiento térmico en el Calentamiento de Petróleo a partir de gas
natural
6 100 100
7 100
Promedio Total 92,8
TABLA 16
Características del calentamiento de petróleo a partir de gas natural. Fuente Nava,
Jaimar
Respecto a las características de el Calentamiento de Petróleo a partir
de gas natural, reflejaron un porcentaje promedio del 92,8 %, esto
significa que los indicadores se consideran adecuados y coinciden con
la factibilidad de calentar petróleo mediante energía solar. Así, la
solución para el problema planteado debería atender los parámetros
establecidos en los indicadores referidos a las características del
Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural.
Los planteamientos teóricos respecto a el Calentamiento de Petróleo
a partir de gas natural propuestos por Shield y Hewitt y los aportes de
Kern , en relación al rendimiento térmico de el Calentamiento de
Petróleo; sirvieron de soporte para evaluar la variable Calentamiento
de Petróleo mediante Energía Solar en las Plantas de Deshidratación
de Tierra Este Pesado, y de acuerdo a la opinión de personal técnico-
especialistas, se observa un alto grado de correlación, lo que
determina que los indicadores son los adecuados y serán la base para
83
establecer la solución a la investigación planteada.
En relación al objetivo específico: Describir los colectores solares del
tipo cilíndrico-parabólico, se definió una sola dimensión: Factibilidad
del calentamiento de petróleo mediante energía solar.
Dimensión: Factibilidad del calentamiento de petróleo
mediante energía solar.
Esta dimensión de la variable de estudio, tiene como indicador único
el Análisis Térmico de los Colectores Cilíndricos-Parabólicos.
Indicador: Análisis Térmico de Colectores Cilíndricos-Parabólicos.
Este indicador mide la capacidad de transferencia de calor de los
colectores solares en el Calentamiento de Petróleo para la
deshidratación de crudos pesados, a través del ítem Nº 8 del
cuestionario CPP-01, obteniéndose los resultados siguientes:
8.- ¿Qué cantidad de calor promedio es requerida en cada planta para
Calentamiento de Petróleo, utilizando gas natural?
a. Entre 15 y 60 MMBTU/hora___
b. Menos de 15 MMBTU/hora___
c. Otro ________
Categoría Opciones Frecuencias %
a Entre 15 y 60 MMBTU/hora 41 93
b Menos de 15 MMBTU/hora 1 2
c Otro 2 5
Tabla 17
Análisis del indicador: análisis térmico de colectores solares
84
Se observa que el 93% del personal técnico considera que la cantidad
de calor requerida en los calentadores a gas oscila entre 15 y 60
MMBTU/hr. Esto significa que los colectores deberán ser capaces de
generar igual o mayor cantidad de calor para sustituir eficientemente
el gas natural como combustible, como garantía de viabilizar el
proyecto propuesto.
Para el objetivo específico: Analizar el consumo de gas de los
calentadores, se estableció la dimensión: Volumen de gas requerido
para calentamiento, el cual se analizó mediante tres indicadores:
• Caudal de petróleo a calentar.
• Caudal de agua a calentar.
• Poder calorífico del gas.
Indicador: Caudal de petróleo a calentar.
9.- ¿La tasa de petróleo y la tasa de agua influyen en el rendimiento
de los calentadores?
a.- Si____ b.- No___
Categoría Opciones Frecuencias %
a Si. 44 100
b No. 0 0
TABLA 18
Análisis del indicador tasa de petróleo y agua. Fuente. Nava, Jaimar
El 100 % del personal está de acuerdo que las tasas de líquido que
maneja el calentador influyen en su rendimiento.
85
10.- ¿Cuál es la tasa de producción de petróleo actual de Tía Juana
Pesado?
a. 27,5 MBPPD.
b. Menos de 27,5 MBPPD.
c. Mas de 27,5 MBPPD.
d. Otro.
Categoría Opciones Frecuencias %
a 27,5 MBPPD. 44 100
b Menos de 27,5 MBPPD. 0 0
c Mas de 27,5 MBPPD. 0 0
d Otro 0 0
TABLA 19.
Análisis del indicador caudal de petróleo a calentar: campo Tía Juana Pesado.
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que la producción de petróleo de Tía Juana Pesado es de
27,5 MBPPD. Este resultado valora la tasa de producción de petróleo
a calentar, para el campo en cuestión.
11.- ¿Qué tasa de producción de petróleo se calienta en H-7 - Cabimas?
a. 27,5 MBPPD.
b. Menos de 27,5 MBPPD.
c. Mas de 27,5 MBPPD.
d. Otro.
Categoría Opciones Frecuencias %
a 27,5 MBPPD. 44 100
b Menos de 27,5 MBPPD. 0 0
c Mas de 27,5 MBPPD. 0 0
d Otro 0 0
TABLA 20.
Análisis del indicador caudal de petróleo a calentar en H-7 Cabimas. Fuente:
Nava, Jaimar
86
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que en H-7 se calientan 27,5 MBPPD. Este resultado valora
la tasa de producción de petróleo a calentar para este patio de
fiscalización.
12.- ¿Cuál es la tasa de producción de petróleo actual del campo
Lagunillas?
a. 41,5 MBPPD.
b. Menos de 41,5 MBPPD.
c. Más de 41,5 MBPPD.
d. Otro.
Categoría Opciones Frecuencias %
a 41,5 MBPPD. 44 100
b Menos de 41,5 MBPPD. 0 0
c Mas de 41,5 MBPPD. 0 0
d Otro 0 0
TABLA 21.
Análisis del indicador caudal de petróleo a calentar: Campo Lagunillas
Fuente: Nava, Jaimar
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que la producción de petróleo de Lagunillas es de 41,5
MBPPD. Este resultado valora la tasa de producción de petróleo a
calentar, para el campo en cuestión.
13.- ¿Cuál es la tasa de producción de petróleo actual del campo
Bachaquero?
a. 25,2 MBPPD.
b. Menos de 25,2 MBPPD.
c. Más de 25,2 MBPPD.
87
d. Otro.
TABLA 22.
Análisis del indicador caudal de petróleo a calentar: Campo Bachaquero
Fuente: Nava, Jaimar
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que la producción de petróleo de Lagunillas es de 25,2
MBPPD. Este resultado valora la tasa de producción de petróleo a
calentar, para el campo en cuestión.
Es necesario aclarar que la tasa de producción de un campo es un
valor puntual, difícilmente se repite un mismo valor por varios días,
pues depende de una serie de factores operacionales diversos. Los
valores obtenidos corresponden a la fecha de la encuesta.
Indicador: Caudal de agua a calentar.
Para obtener este parámetro, se interrogó al personal encuestado sobre
el corte de agua de los campos que conforman Tierra Este Pesado. Con
este valor se obtiene, de manera indirecta, el caudal de agua a calentar.
Es importante resaltar que este valor está afectado por la actividad de
vapor. A mayor de inyección de vapor, mayor será el corte de agua. Lo
inverso también es cierto.
14.- ¿Cuál cree usted que es el corte de agua actual de Tía Juana
Pesado?
a. 12,1 %
b. Menos de 12,1 %
Categoría Opciones Frecuencias %
a 25,2 MBPPD. 44 100
b Menos de 25,2 MBPPD. 0 0
c Mas de 25,2 MBPPD. 0 0
d Otro 0 0
88
c. Mas de 12,1 %
d. Otro.
Categoría Opciones Frecuencias %
a 12,1 % 44 100
b Menos de 12,1 % 0 0
c Mas de 12,1 % 0 0
d Otro 0 0
TABLA 23.
Análisis del indicador caudal de agua a calentar: Campo Tía Juana Pesado.
Fuente: Nava, Jaimar
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que el corte de agua de Tía Juana Pesado es de 12,1 %.
Este resultado valora la tasa de producción de agua a calentar, para
el campo en cuestión.
15.- ¿Cuál cree usted que es el corte de agua actual que opera H-7
Cabimas?
a. 0,4 %
b. Menos de 0,4 %
c. Mas de 0,4 %
d. Otro.
Categoría Opciones Frecuencias %
a 0,4 % 44 100
b Menos de 0,4 % 0 0
c Mas de 0,4 % 0 0
d Otro 0 0
TABLA 24.
Análisis del indicador caudal de agua a calentar: H-7 Cabimas
Fuente: Nava, Jaimar
89
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que el corte de agua de H-7 Cabimas es de 0,4 %. Este
resultado valora la tasa de producción de agua a calentar, para esta
planta de fiscalización.
16.- ¿Cuál cree usted que es el corte de agua actual del campo
Lagunillas?
a. 41 %
b. Menos de 41 %
c. Mas de 41 %
d. Otro.
Categoría Opciones Frecuencias %
a 41 % 44 100
b Menos de 41 % 0 0
c Mas de 41 % 0 0
d Otro 0 0
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que el corte de agua de H-7 Cabimas es de 0,4 %. Este
resultado valora la tasa de producción de agua a calentar, para esta
planta de fiscalización.
16.- ¿Cuál cree usted que es el corte de agua actual del campo
Lagunillas?
e. 41 %
f. Menos de 41 %
g. Mas de 41 %
h. Otro.
90
Categoría Opciones Frecuencias %
a 41 % 44 100
b Menos de 41 % 0 0
c Mas de 41 % 0 0
d Otro 0 0
TABLA 25
Análisis del indicador caudal de agua a calentar:
Campo Lagunillas Fuente: Nava, Jaimar
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas,
considera que el corte de agua del campo Lagunillas es de 41 %.
Este resultado valora la tasa de producción de agua a calentar, para
el campo en cuestión.
17.- ¿Cuál cree usted que es el corte de agua actual del campo
Bachaquero?
a. 26 %
b. Menos de 26 %
c. Mas de 26 %
d. Otro.
Indicador: Poder calorífico del gas.
Dado que este parámetro no es del conocimiento generalizado, se
interrogó sobre la composición de dicho gas. Esta información es
suficiente para conocer el poder calorífico, puesto que en la literatura
técnica están disponibles estos valores, según el tipo de gas.
18.- ¿Qué tipo de gas utilizan los calentadores?
a. Mayoritariamente metano.
b. Gas rico (con alto contenido de líquidos).
c. Otro.
91
Categoría Opciones Frecuencias %
a Mayoritariamente metano. 44 100
b Gas rico (con alto contenido de líquidos). 0 0
c Otro 0 0
TABLA 26
Análisis del indicador caudal poder calorífico del gas . Fuente: Nava, Jaimar
El 100% del personal técnico (44) que participa en las encuestas
considera que el gas utilizado es mayoritariamente metano. Es
ampliamente conocido que el gas combustible es mayoritariamente
metano, puesto que es el gas que retorna de la petroquímica luego
de habérsele extraído los líquidos. El poder calorífico del metano,
según la literatura, es 977 BTU/pie3.
En la tabla 27 se muestran los resultados de cada uno de los
indicadores pertenecientes a la dimensión volumen de gas requerido
para calentamiento, que mide la variable Calentamiento de Petróleo
mediante Energía Solar en las Plantas de Deshidratación de Tierra
Este Pesado, obtenidos a partir de la aplicación del instrumento CPP-
01.
92
Indicador Ítems % Promedio (%)
Caudal de Petróleo a Calentar
9 100
100
10 100
11 100
12 100
13 100
Caudal de Agua a Calentar
14 100
100 15 100
16 100
17 100
Poder Calorífico del Gas 18 100 100
Promedio Total 100
TABLA 27
Dimensión volumen de gas requerido para calentamiento
Fuente: Nava, Jaimar
Respecto a la dimensión volumen de gas requerido para
calentamiento, reflejaron un porcentaje promedio del 100 %, esto
significa que los indicadores se consideran adecuados y coinciden con
la factibilidad de calentar petróleo mediante energía solar. Así, la
solución para el problema planteado debería atender los parámetros
establecidos en los indicadores referidos a las características del
Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural.
Dimensión: Cantidad de colectores necesarios para el
calentamiento de petróleo y agua durante 24 horas
Esta dimensión fue definida mediante 3 (tres) indicadores:
• Cálculo de colectores para las 10 horas de irradiancia solar.
• Cálculo de colectores para las 14 horas restantes.
• Sistema de almacenamiento de calor.
Indicador: Cálculo de colectores para las 10 horas de irradiancia
solar.
93
Fue medido mediante el ítem Nº 19. Con esta información se puede
estimar el número de horas que el sol brilla con una intensidad tal que
puede ser aprovechada su energía.
19.- ¿En está zona, generalmente, desde que hora, y hasta que hora, el
sol brilla intensamente como para aprovechar la energía solar?
a. De 6:00 a.m hasta las 6:00 p.m.
b. De 8:00 a.m hasta las 6:00 p.m.
c. De 10:00 a.m hasta las 6:00 p.m.
d. Otro.
Resultados de la encuesta a la pregunta Nº 19:
Categoría Opciones Frecuencias %
a De 6:00 a.m hasta las 6:00 p.m 3 7
b De 8:00 a.m hasta las 6:00 p.m 39 89
c De 10:00 a.m hasta las 6:00 p.m 2 5
d Otro 0 0
TABLA 28
Indicador colectores para las 10 horas de irradiancia solar
Fuente: Nava, Jaimar
El 89 % de los encuestados considera que en la zona, por lo general, el
sol brilla intensamente desde las 8:00 a.m hasta las 6:00 p.m, es decir
10 horas diarias. Esto se interpreta como la disponibilidad de solo 10
horas diarias de sol radiante para aprovechar la energía solar. El resto
de las 24 horas del día, es decir, las 14 horas restantes, se asume que
no se dispondrá de energía solar.
Indicador: Sistema de almacenamiento de calor.
20.- ¿Durante que período se requiere calentar el petróleo?
a. Solo durante la noche.
b. Solo durante el día.
c. Las 24 horas del día.
94
d. Otro.
Los resultados a la pregunta Nº 20 se muestran en la tabla Nº 29.
Categoría Opciones Frecuencias %
a Solo durante la noche. 0 0
b Solo durante el día. 0 0
c Las 24 horas del día. 44 100
d Otro 0 0
Tabla 29
Indicador sistema de almacenamiento de calor
Fuente: Nava, Jaimar
El total del personal técnico afirma que es necesario calentar el petróleo
durante las 24 horas del día. Esta respuesta resulta obvia, puesto que
las operaciones de producción son un proceso continuo, ininterrumpido.
En virtud de esta respuesta y asumiendo que solo se dispone de 10
horas diarias de suficiente irradiancia solar, será imprescindible captar
energía solar para garantizar el calentamiento durante las 14 horas del
día durante las cuales no se dispone de energía solar, e incorporar a la
propuesta de diseño un sistema de almacenamiento de este calor.
En la tabla 30 se muestran los resultados de cada uno de los
indicadores pertenecientes a la dimensión cantidad de colectores
necesarios para el calentamiento de petróleo y agua durante 24
horas, que mide la variable Calentamiento de Petróleo mediante
Energía Solar en las Plantas de Deshidratación de Tierra Este Pesado,
obtenidos a partir de la aplicación del instrumento CPP-01.
95
Indicador Ítems % Promedio (%)
Cálculo de colectores para las 10 horas de irradiancia solar. 19 89 89
Cálculo de colectores para las 14 horas restantes. 19 89 89
Sistema de almacenamiento de calor 20 100 100
Promedio Total 92,6
TABLA 30
Dimensión cantidad de colectores necesarios para el calentamiento de petróleo y
agua durante 24 horas. Fuente: Nava, Jaimar
Conviene destacar que la frecuencia asumida para el indicador cálculo
de colectores para las 14 horas restantes, es la misma que la
obtenida para el indicador cálculo de colectores para las 10 horas de
irradiancia solar, puesto que fue inferida de la respuesta a la pegunta
Nº 19 del cuestionario.
Con referencia a la dimensión cantidad de colectores necesarios para el
calentamiento de petróleo y agua durante 24 horas, reflejó un
porcentaje promedio del 92,6 %, esto significa que los indicadores se
consideran adecuados y coinciden con la factibilidad de calentar
petróleo mediante energía solar. Así, la solución para el problema
planteado debería atender los parámetros establecidos en los
indicadores referidos a las características del Calentamiento de
Petróleo a partir de gas natural.
La última dimensión establecida en el marco metodológico es
fundamental. Se refiere a la sustitución del gas natural por Energía
Solar. Para determinarla se establecieron dos indicadores:
Energía generada por gas natural.
Balance de energía de la planta solar.
Indicador: Energía generada por gas natural.
96
Con este indicador se pretende indagar entre el personal entrevistado, si
sería factible sustituir la energía generada mediante la quema de gas
natural por la Energía Solar.
21.- ¿En su opinión, el calor generado mediante gas natural podría ser
sustituido por energía solar?
a. Si.
b. No.
c. Tal vez.
d. No sabe.
e. Otro.
Categoría Opciones Frecuencias %
a Si. 0 0
b No. 0 0
c Tal vez. 3 7
d No sabe. 41 93
e Otro 0 0
TABLA 31 .
Indicador energía generada por gas natural. Fuente: Jaimar Nava
Las respuestas a la pregunta Nº 21 evidencian el gran desconocimiento
del personal técnico entrevistado sobre Energía Solar. El 93 % del
personal no sabe si el gas natural puede ser sustituido por energía solar.
Este desconocimiento no es cuestionable, puesto que el personal de la
industria no posee adiestramiento en energía solar. Este resultado era
fácilmente predecible, por tanto se incluyó una última pregunta que
define la condición sine qua non para sustituir el gas natural por energía
solar.
Indicador: Balance de energía de la planta solar.
97
22.- En caso de que se pudiera instalar una planta de energía solar para
sustituir el gas natural por energía solar ¿Como debería ser la
energía solar con respecto a la energía generada por el gas natural?
a. Menor.
b. Igual.
c. Igual o mayor.
d. Otra.
Categoría Opciones Frecuencias %
a Menor. 0 0
b Igual. 0 0
c Igual o mayor. 44 0
d Otra 0 0
TABLA 32.
Idicador balance de energía de la planta solar Fuente: Jaimar Nava
La mayoría del personal, aun cuando no sabe si es posible sustituir el
gas natural por energía solar, el 100 % está de acuerdo en que de ser
posible, la energía generada por una planta solar deberá ser mayor o
igual a la generada actualmente por el gas natural. Un balance de
energía servirá para corroborar esta condición.
En la tabla 33 se muestran los resultados de cada uno de los
indicadores pertenecientes a la dimensión sustitución del gas natural
por Energía Solar, que mide la variable Calentamiento de Petróleo
mediante Energía Solar en las Plantas de Deshidratación de Tierra
Este Pesado, obtenidos a partir de la aplicación del instrumento CPP-
01.
98
Indicador Ítems % Promedio (%)
Energía generada por gas natural. 21 93 93
Balance de energía de la planta solar. 22 100 100
Promedio Total 96,5
TABLA 33
dimensión sustitución del gas natural por energía solar. Fuente: Nava, Jaimar
Con referencia a la dimensión sustitución del gas natural por Energía
Solar, reflejaron un porcentaje promedio del 96,5 %, esto significa
que los indicadores se consideran adecuados y coinciden con la
factibilidad de calentar petróleo mediante energía solar. Así, la
solución para el problema planteado debería atender los parámetros
establecidos en los indicadores referidos a las características del
Calentamiento de Petróleo a partir de gas natural.
En relación a la variable: Calentamiento de Petróleo Mediante Energía
Solar en las Plantas de Deshidratación de Tierra Este Pesado, se
resumen los resultados en la tabla Nº 34.
Dimensión Promedio (%)
Características del calentamiento de petróleo a partir del gas natural. 92,8
Factibilidad del calentamiento de petróleo mediante energía solar. 93,0
Volumen de gas requerido para calentamiento 100
Cantidad de colectores necesarios para el calentamiento de petróleo y agua durante 24
horas. 92,6
Características del calentamiento de petróleo a partir del gas natural 96,5
TABLA 34
Variable calentamiento de petróleo mediante energía solar para la deshidratación
de crudos pesados. Fuente: Nava, Jaimar
Estos resultados permiten establecer que el Calentamiento de
Petróleo mediante Energía Solar para la deshidratación de crudos
pesados, enmarcado en las razones económicas, tecnológicas y
ambientales es una excelente opción de sustitución energética. En este
orden de ideas, la energía solar luce como la gran alternativa como
solución estructural a la escasez del gas, por su condición de fuente de
99
energía renovable y aporta numerosas ventajas a la industria petrolera
venezolana, como son la disminución de la dependencia de gas natural
y los beneficios medioambientales derivados de su nula emisión de
gases contaminantes.
100
CAPÍTULO IV
CÁLCULOS Y DISEÑO
Este capítulo desarrolla los cálculos del calor generado por el gas
natural y de la Energía Solar sustitutiva. También se analiza el
impacto de la quema del gas natural. Adicionalmente, se incluye un
diseño, solo conceptual, de una instalación de Energía Solar para
calentamiento de petróleo en las Plantas de Deshidratación de Tierra
Este Pesado.
1. Requerimientos de gas natural
A objeto de validar el procedimiento descrito para el cálculo de
requerimientos de gas, se escogió al azar la Planta de Tratamiento
del Campo Tía Juana (PDT F-6). A continuación se listan los valores
del flujo de la estación:
Caudal de líquido (QL): 31.300 BLPD
Corte de Agua y Sedimento (AyS) = 12,1 %
Gravedad API del crudo: 11,0 º API
Temperatura de Entrada al calentador: (TE): 100 º F (37,8 º C)
Temperatura a la Salida del calentador (TS): = 180 °F (82,2 ºC).
Los siguientes valores serán asumidos:
Eficiencia Termodinámica del Sistema: 70 %
Poder Calorífico del Gas (Pcg)= 977 BTU/PCN
Calor Específico del Agua (Cew) = 1 kcal/kg.ºC
Calor Específico del Petróleo (CeO) = 0,5 kcal/kg.ºC
101
Densidad del Agua (w)= 1.000 kg/m3
Factor de Conversión Nº 1 (Fc1) = 6,290 Bls/m3
Factor de Conversión Nº 2 (Fc2) = 24 hrs/Día
Factor de Conversión Nº 3 (Fc3) = 0,252 Kcal/BTU
Factor de Conversión Nº 4 (Fc4) = 3,413 BTU/hr / Watt
Cálculos:
1. Flujo volumétrico de petróleo y de agua, se calculan a partir de
las ecuaciones 1 y 2.
2. Gravedad Especifica del Petróleo. Se calcula a partir de la
ecuación Nº 4
gO correspondiente a ºAPI =11:
3. Densidad del petróleo (O). Se calculan utilizando las ecuación
5.
O = gO x w= 0,993 x 1.000 kg/m3
= 993 kg/m3
4. Flujos másico de petróleo (QMO) y agua (QMW). Se obtienen
utilizando las ecuaciones 6 y 7.
QL x (100-AyS)
100
31.300 BLPD x (100- 12,1)
100QVO = = = 27.513 BPPD
QL x (100-AyS)
100
QL x (100-AyS)
100
31.300 BLPD x (100- 12,1)
100
31.300 BLPD x (100- 12,1)
100QVO = = = 27.513 BPPDQVO = = = 27.513 BPPD
QL x AyS
100
31.300 BLPD x 12,1
100QVW = = = 3.787 BAPD
QL x AyS
100
QL x AyS
100
31.300 BLPD x 12,1
100
31.300 BLPD x 12,1
100QVW = = = 3.787 BAPD
141,5 141,5
gO= - 131,5 = - 131,5 = 0,993
º API 11,0
141,5 141,5
gO= - 131,5 = - 131,5 = 0,993
º API 11,0
QMO= QVO x O =
27.513 Bls x 993 kg
día m3
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
= 180.978 kg/hrQMO= QVO x O =
27.513 Bls x 993 kg
día m3
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
QMO= QVO x O =
27.513 Bls x 993 kg
día m3
27.513 Bls x 993 kg
día m3
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
= 180.978 kg/hr
102
Obsérvese que fue necesario introducir los factores de conversión Nº
1 y 2 para obtener los flujos másicos en kg /hr.
5. Cálculo de la cantidad de energía (H) necesaria para el
calentamiento del petróleo y el agua, HO y HW, respectivamente.
Para esta fase se utilizan las ecuaciones Nº 8 a la Nº 11.
6.
El valor de HT TEÓRICO, 5.131.659 kcal/hr, es equivalente a 6,0 MW.
Para sustituir el gas por Energía Solar será necesario que los
colectores generen esta cantidad de calor en un período de 24 horas.
7. Cálculo del requerimiento de gas (Qg). Para ello se utiliza la
ecuación 12.
QMW= QVW x W =
3.787 Bls x 1.000 kg
día m3
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
= 25.089 kg/hrQMW= QVW x W =
3.787 Bls x 1.000 kg
día m3
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
6,29 Bls x 24 hrs
m3 día
= 25.089 kg/hr
HO= QMO x CeO x (Ts – Te) = 180.978 kg x 0,5 kcal x (82,2 ºC – 37,8 º C) = 4.017.714 kcal/hr
hr kg.ºC
HO= QMO x CeO x (Ts – Te) = 180.978 kg x 0,5 kcal x (82,2 ºC – 37,8 º C) = 4.017.714 kcal/hr
hr kg.ºC
HW= QMW x CeW x (Ts – Te) = 25.089 kg x 1,0 kcal x (82,2 ºC – 37,8 º C) = 1.113.945 kcal/hr
hr kg.ºC
HW= QMW x CeW x (Ts – Te) = 25.089 kg x 1,0 kcal x (82,2 ºC – 37,8 º C) = 1.113.945 kcal/hr
hr kg.ºC
HT = HO + HW = 4.017.714 kcal/hr + 1.113.945 kcal/hr = 5.131.659 kcal/hr (Teórico)
HT TEÓRICO 5.131.659 kcal/hrHT REAL = = = 7.330.942 kcal/hr
ET 0,7
HT TEÓRICO 5.131.659 kcal/hrHT REAL = = = 7.330.942 kcal/hr
ET 0,7
HT REAL 7.330.942 kcal x 24 hrs.hr día
QG = = = 714.621 PCNPDPcG 977 BTU x 0,252 kcal
pcn BTU
HT REAL 7.330.942 kcal x 24 hrs.hr día
QG = = = 714.621 PCNPDPcG 977 BTU x 0,252 kcal
pcn BTU
103
El valor calculado del flujo de gas necesario para elevar el petróleo y
el agua desde 37,8 ºC a 82,2 ºC, utilizando calentadores
convencionales, y asumiendo una eficiencia del 70 % es de 714.621
PCNPD, equivalentes a 0,715 MMPCND. Este procedimiento fue
incorporado a una Hoja de Excel (Office 2003), para facilitar los
cálculos en el resto de las plantas.
La tabla 35 muestra los resultados de la Hoja Excel con los datos y
resultados para estimar los requerimientos de gas en la planta PDT-
F-6.
104
TABLA 35 .
Cálculos de energía y gas requeridos para el calentamiento de petróleo de Tierra Este Pesado – Hoja de excel Fuente: Nava, Jaimar
Utilizando la referida Hoja de Excel, se obtuvieron los siguientes
resultados para el resto de las plantas:
105
H-7 Cabimas, gas requerido: 0,562 MMPCND, energía requerida
teórica 4,7 MW, energía requerida real 6,7 MW.
PDT-Lagunillas Sur, gas requerido: 2,022 MMPCND, energía
requerida teórica 16,9 MW, energía requerida real 24,1 MW.
PDT-Bachaquero, gas requerido, 0,871 MMPCND, energía
requerida teórica 7,3 MW, energía requerida real 10,4 MW.
La energía requerida real se obtiene dividendo la energía teórica
entre la eficiencia termodinámica del sistema (0,7).
En total, se estima que el consumo de gas natural para calentar toda
la producción de Tierra Este Pesado es de 4,2 MMPCND, para lo cual
se requieren generar, teóricamente, 34,8 MW, y realmente 49,8 MW.
2. Impacto ambiental del uso de gas natural para combustión.
El uso de gas natural como fuente de calor tiene un impacto
ecológico, consecuencia del CO2 producto de la combustión. La
cantidad de CO2 generada por la combustión de un pie cúbico de gas
natural dependerá de la composición de dicho gas. Sin embargo, se
puede estimar partiendo de la ecuación estequiométrica Nº 26 y
suponiendo que el gas natural es 100 % metano y que su combustión
es total.
CH4 + 2O2 -----> CO2 + 2 H2O
Ecuación 18
La ecuación 18 muestra que la combustión de una molécula de
metano genera una molécula de de CO2, de lo cual se deduce que 1
pie cúbico de gas natural genera 1 pie cúbico de CO2. Vale suponer
entonces que en Tierra Este Pesado se generan aproximadamente 4,2
millones de pies cúbicos de CO2, diariamente, producto de la
combustión de gas para calentamiento de petróleo. Sin lugar a dudas,
106
este valor representa una cifra importante para efectos de
contaminación ambiental.
3. Impacto Económico del uso de gas natural para combustión.
La tarifa domestica y comercial del gas natural establecida por el
Ministerio del Poder Popular para la Energía y el Petróleo es de
0,17450 Bs.F/m3, equivalente a 4.941,3 BsF./MMPCN. Si se
multiplica el precio unitario por el consumo diario de gas (4,2
MMPND), se obtiene un costo diario de 20.874 BsF. por el gas
utilizado en Tierra Este Pesado. El costo total anual estimado de este
gas es de 7.618.947 BsF., equivalentes a 1.771.848 US$, asumiendo
una tasa de cambio de 4,30 BsF./US$, vigente para 2010.
Como puede apreciarse, el costo del gas quemado para calentar
petróleo es económica y ambientalmente muy alto. Muy
probablemente, la Industria Petrolera, nunca ha reflexionado sobre
estos costos, pues hasta el presente, no existían opciones
tecnológicas para sustituir el gas natural como fuente de energía.
4. Impacto Tecnológico de la sustitución de gas natural por
energía solar.
A la fecha, no se registra información de que la Industria Petrolera
haya utilizado la Energía Solar para sus operaciones, salvo
insignificantes aplicaciones, como el uso de celdas fotovoltaicas para
generación de electricidad en muy pequeña escala, especialmente
para áreas aisladas. Sustituir la enorme demanda de energía esta
industria por Energía Solar significaría un salto quántico en materia
tecnológica, toda una revolución energética. El hecho que la
Industria Petrolera utilizare Energía Solar en sustitución el gas natural
producido por ella, sería un ejemplo para el mundo en materia de
Conservación del Ambiente y de los Recursos Naturales No
107
Renovables, representaría todo un cambio de paradigma, amen del
ahorro en gas, su costo, y en el mantenimiento de los calentadores.
En virtud de que los colectores solares del tipo cilíndrico-parabólicos
se fabrican generalmente de aluminio, y de que Venezuela posee
inmensas reservas de este mineral, luce razonable instalar una
fábrica de estos colectores en el país, lo cual agregaría valor a la
explotación del aluminio, contribuiría a la industrialización de la
nación y generaría empleo. Conviene recordar que esto colectores
pueden ser utilizados también para la generación de electricidad en el
país y en Latinoamérica. Exceptuando los Estados Unidos de América,
no existe ninguna fábrica de estos colectores en el continente
americano.
5. Impacto Social de la sustitución de gas natural por energía
solar.
El uso del gas domestico, junto con la industrialización, han sido
establecidos por el Gobierno Nacional como prioridades en el uso del
gas natural.
En occidente, se registra escasez de gas domestico servido por
tuberías, consecuencia de la insuficiencia de producción. Si se
sustituyera el gas natural por Energía Solar para calentamiento de
petróleo en las Plantas de Deshidratación de Tierra Este Pesado, los
4,2 MMPCND podrían surtir de gas a miles de hogares en occidente,
con su consecuente mejora en la calidad de vida. También pudieran
ser destinados a la Industria Petroquímica (Complejo El Tablazo), de
donde se pudieran extraer materiales para fabricar, por ejemplo,
Petrocasas para resolver la problemática de la vivienda, fertilizantes
para mejorar la agricultura, y otros tantos productos valiosos que se
obtienen al procesar industrialmente el gas natural, y que redundan
favorablemente en la calidad de vida de los venezolanos.
108
La presente investigación parte de un principio lógico: Si los
colectores solares pueden captar energía solar y calentar un fluido
para la Industria Eléctrica, tal como se ha demostrado
fehacientemente, su utilización en la Industria Petrolera es un
problema de adaptabilidad tecnológica. Es decir, ajustar la tecnología
a las necesidades energéticas de esta Industria Petrolera.
6. Requerimientos de Energía Solar para el calentamiento de
crudos pesados.
La cantidad de calor necesaria para calentar un determinado flujo de
liquido (petróleo + agua), está dada por la ecuación 18. Los
parámetros que determinan esta cantidad fueron suficientemente
discutidos. Partiendo de este valor, se calcula la cantidad de
colectores solares del tipo cilíndrico-parabólico necesarios para
generar la misma cantidad de calor, pero utilizando energía solar.
La teoría de Duffie y Beckman permite estimar el número de módulos
necesarios para generar la cantidad de calor requerida. Para ilustrar
esta teoría se muestran los cálculos necesarios para sustituir los
calentadores a gas por colectores solares del tipo cilíndricos-
parabólicos en la PDT-F-6, del campo Tía Juana.
La información necesaria para los cálculos es la siguiente:
Cantidad de calor requerido (Ht): Calculada mediante las
ecuaciones 9 a la 18. Para el ejemplo, planta PDT-F-6, el valor de
Ht obtenido fue de 6,0 MW. A este valor deberán sumarse las
perdidas de calor originada por la Eficiencia Termodinámica (ET)
del sistema de almacenamiento de calor y líneas de flujo. De
acuerdo a la literatura, el valor de ET es de 70 %. También deberá
109
agregarse la cantidad de calor disipada en el receptor, la cual se
calcula por separado.
Temperatura ambiente promedio (Ta): 32 º C.
Temperatura requerida (Tf): 82,2 ºC.
Ángulo de inclinación (s): Es el ángulo que forma una superficie
inclinada con el plano horizontal. La figura 19 muestra dicho
ángulo:
FIGURA 19
Trayectoria aparente del sol respecto a un punto de la superficie terrestre
Fuente: Jutglar, Lluís
Para el ejemplo se asume el ángulo de inclinación s=45º. Este valor
representa el ángulo promedio del colector cilíndrico-parabólico, con
respecto a la horizontal. Se asume 45 º como ángulo promedio
puesto que el colector está en movimiento continuo, formando un
ángulo de 90º, cuyo promedio es 45º.
Latitud (): Tierra Este Pesado se ubica en los 10° 40’ latitud norte.
Radiación Solar (Hb): El valor de la radiación media diaria sobre el
área de Tierra Este Pesado es de 900 W/m2.
110
Coeficiente de transmisión por convección y radiación de la
superficie receptora: El valor promedio de este coeficiente es de
3,70 W/m2.°C.
Las dimensiones del los colectores seleccionadas son las mismas
utilizadas en el proyecto PSA: Longitud del módulo y del receptor
(L) 12,5 metros, ancho de apertura del módulo 5,76 m, área
apertura del módulo (Auc) 72,0 m2.
Tubería receptora: Se seleccionó tubería de 3 pulgadas de
diámetro externo (d), a objeto de maximizar la relación de áreas
entre el módulo y el receptor.
Transmitancia de la cubierta transparente (): 0,88, sugerido por
Duffie y Beckman.
Absorbancia de la superficie absorbente (): 0,9, sugerido por
Duffie y Beckman.
Factor de interceptación (): : 0,76, sugerido por Duffie y Beckman.
Reflectancia media del espejo (): 0,92, sugerido por Duffie y
Beckman.
Proceso de cálculo del número de módulos:
1. Se calcula el área unitaria del receptor, utilizando la ecuación 27:
Aur = 2π.r.L
Ecuación 19
L=12,5 m. Este es el valor de la longitud del módulo, e igual a
longitud del receptor. Fue asumida del proyecto Solnova I.
d=3 pulgadas. El radio (r) es igual a la mitad del diámetro (d). Es
necesario convertir las pulgadas a metros. Un metro equivale a
39,37 pulgadas. Introduciendo estos valores en la ecuación 19 se
obtiene:
Aur = = 2,99 m22 x 3,1416 x 3 pulg. x 1 x 12,5 m x 1 m2 39,37 pulg.
Aur = = 2,99 m22 x 3,1416 x 3 pulg. x 1 x 12,5 m x 1 m2 39,37 pulg.
111
2. Conocida Aur, se calcula el Factor de Concentración (Fc), que es la
relación entre el área unitaria del módulo (Auc) y el área unitaria
del receptor:
Ecuación 20
Sustituyendo valores en la ecuación 28, se obtiene:
3. Con el valor calculado de Fc =24,1 se entra en la grafica de la
figura Nº 20 y se obtiene la temperatura media estimada del
receptor.
Fc = = 24,1 72,0 m
2
2,99 m2
Fc = Auc
Au
r
112
De la gráfica se obtiene Tm= 250 º C
4. Con el propósito de facilitar el procedimiento de cálculo del
número de módulos, se elaboró una Hoja de Excel (Office 2003)
con todo el proceso. Para ello es necesario expresar los ángulos en
radianes. Para convertir un ángulo a radianes se utiliza la ecuación
29.
Ecuación 21
Para el ejemplo, la latitud norte de Tierra Este Pesado () 10º 40’,
equivale a:
5. De la tabla Nº 3 se asume el día tipo del mes de junio cuyo valor
de declinación es δ = 23.0º. Luego se convierte este ángulo en
radianes, utilizando la ecuación 21.
6. Se calcula el ángulo horario de puesta del sol para una superficie
horizontal (hs), mediante la ecuación 22:
cos(hs)= -tg() x tg() Ecuación 22
Sustituyendo los valores de =0,186 radianes y = 0,401 radianes en
la ecuación 22, se obtiene:
(radianes) = = 0,401 radianes 23º
0 60
+
180
x 3,1416
Radianes =
grados minutos
60 +
180
x
(radianes) = = 0,186 radianes 10
40 60
+
180
x 3,1416
113
cos(hs)= -tg(0,186) x tg(0,401)= -0,080
Luego, conocido el coseno del ángulo horario, se calcula el ángulo hs
mediante la función inversa arco-coseno:
hs= arccos(cos(hs))= arccos(cos(-0,080))= 1,7 radianes. Convertidos
en grados, equivale a hs= 94,5 º.
7. Ángulo horario de puesta del sol para una superficie inclinada
(hs,s,o)
Se calcula mediante la ecuación 23:
cos(hs,s,o)= cos(-tg( - s) x tg() Ecuación 23
Para =0,186 radianes, = 0,401 radianes y s=0,785 radianes (45 º), con la
la ecuación 23 se obtiene:
cos(hs,s,o)= cos(-tg(0,186-0,785) x tg(0,401))= 0,290
Para obtener hs,s,o se utiliza la función inversa arco-coseno:
hs,s,o= arccos(0,290)= 1,28 radianes, equivalentes a hs,s,o= 73,15 º
8. Rb es la relación entre la radiación perpendicular al plano de
apertura y la radiación total medida sobre dicho plano. Se calcula
mediante la ecuación 24:
Ecuación 24
Sustituyendo valores en la ecuación 24 se obtiene:
Rb= {cos( – s) x cos() x sen(hs,s,o)} + {hs,s,o x sen() x sen()}
{cos() x cos() x sen(hs)} + {hs x sen() x sen()}
Rb
=
{cos(0,186 – 0,785) x cos(0,401) x sen(1,28)} + {1,28 x sen(0,186) x sen(0,401)}
{cos(0,186) x cos(0,401) x sen(1,7)} + {1,7 x sen(0,186) x sen(0,401)}
114
Rb= 0,803
9. Radiación Solar. Conocido el factor Rb, se procede a calcular la
Radiación Solar captada por el colector, mediante la ecuación 25:
Ecuación 25
De acuerdo a la teoría de Duffie y Beckman, la radiación solar difusa
(Hd) se anula en un colector solar del tipo cilíndrico-parabólico,
consecuentemente Hd vale 0 en la ecuación 25. Sustituyendo Hd=0
en esta ecuación, se obtiene la ecuación simplificada Nº 26, que
expresa la radiación solar efectiva sobre el colector cilíndrico-
parabólico:
Ht,s= Hb x Rb Ecuación 26
Para Hb= 900 Watts/m2 y Rb= 0,803, se obtiene:
Ht,s= 900 Watts/m2 x 0,8 = 723 Watts/m2.
10. Cálculo del Número de Módulos.
De acuerdo a la teoría de Duffie y Beckman, el balance de energía
viene dado por la ecuación 13:
Energía Producida= Energía Captada – Energía Disipada
Ecuación 13
La Energía Producida equivale a la energía teórica requerida para
calentar el petróleo desde 37,8 ºC hasta los 82,2 º C, y que fue
calculada previamente en 6,0 Watts. Este valor es teórico, para
obtener resultados mas reales, debe considerase la Eficiencia
Termodinámica del sistema de almacenamiento y de las líneas de
flujo. Esta eficiencia según la literatura es también 70 %. Al
incorporar la eficiencia, la energía requerida (ER) se incrementa a 8,5
Ht,s= Hb x Rb x Hd x Hd 1 + cos(s)
2 +
1 - cos(s)
2 +
115
MW (8,5x106 Watts), resultado de dividir el requerimiento teórico de
energía, 6,0 MW, entre la eficiencia termodinámica, 0,7.
Consecuentemente, los colectores solares deberán producir, al
menos, 8,5 MW para sustituir eficientemente al gas combustible.
La Energía Captada viene dada por la ecuación 14:
Energía Captada =H t,s .Aa .( Ecuación 14
Aa es la apertura del total de los módulos, equivalente a la sumatoria
de las áreas unitarias (Auc) de cada uno de los módulos, y se calcula
utilizando la ecuación 27:
Aa= Auc x N Ecuación 27
Donde N es el número de módulos necesarios para generar la
cantidad de calor requerida.
La Energía Disipada viene dada por la ecuación 15:
Energía Disipada por unidad de tiempo = Ar.Ucr.(Tm – Ta)
Ecuación 15
Ar es el área total de los receptores, correspondiente a la sumatoria
de las áreas unitarias (Aur) de cada uno de los receptores, y se
calcula mediante la ecuación 28:
Ar=Aur x N Ecuación 28
Sustituyendo las ecuaciones 14 y 15 en la ecuación 13 se obtiene:
Energía Producida= H t,s . Aa .. (. .. - Ar.Ucr.(Tm – Ta) Ecuación 29
116
Luego, en la ecuación 29 se sustituyen Aa y Ar por las ecuaciones 27
y 28, respectivamente, con lo cual se obtiene:
Energía Producida= H t,s.Auc.N.( - Aur.N.Ucr.(Tm – Ta) Ecuación 30
Despejando N de la ecuación 30 se obtiene:
Ecuación 31
Sustituyendo valores en la ecuación 31, se obtiene:
N= 323 módulos
El valor N= 323 módulos representa el número de módulos
suficientes para generar la energía requerida durantes las horas que
el sol irradie, aproximadamente 10 horas, desde las 8:00 a.m. hasta
las 6:00 p.m. Será necesario introducir un nuevo valor de N, el cual
será denotado como N10, en virtud de que su valor deberá ser un
múltiplo de 48, esto con el propósito de que al dividirlo por 12 se
obtenga un número entero de colectores, y al dividir la cantidad de
colectores entre 4 se obtenga un número entero de lazos.
N10=N (múltiplo superior de 48) Ecuación 32
Sustituyendo N=323 en la ecuación 32, se obtiene:
N10= 323 (múltiplo de 48)= 336 módulos
Obsérvese que 336 es el múltiplo superior de 48 más próximo a 323.
H t,s.Auc.( - Aur.Ucr.(Tm – Ta)
Energía Producida N=
723 Watts.72, 0 m2. 0,88 . 0,9 . 0,76 . 0,92 - 2,99 m2 . 3,70 Watts .(250 ºC – 32,0 ºC)
8,5x106 Watts N=
m2 m2. ºC
723 Watts.72, 0 m2. 0,88 . 0,9 . 0,76 . 0,92 - 2,99 m2 . 3,70 Watts .(250 ºC – 32,0 ºC)
8,5x106 Watts N=
m2 m2. ºC
117
Será necesario captar y almacenar energía solar para las restantes 14
horas del día, a fin de garantizar la continuidad del calentamiento del
petróleo. Para incorporar este factor, se ha desarrollado la ecuación
33, bajo el supuesto que el calor necesario para calentar el petróleo
durante las 24 horas del día, es proporcional al calor captado durante
las 10 horas de irradiancia solar.
Ecuación 33
N24 es el número de módulos necesario para captar suficiente energía
para las 24 horas del día. El valor de N24 deberá ser también un
múltiplo de 48, por las razones antes expuestas. Sustituyendo N=323
en la ecuación 33 se obtiene:
Con 816 módulos se garantiza energía para las 24 horas del día, se
cubren las pérdidas en el receptor y la eficiencia térmica de todo el
proceso.
Para obtener el número de colectores, se divide el número de
módulos entre 12:
Ecuación 34
Para obtener el número de lazos se divide el número de colectores
entre 4:
Ecuación 35
Las tablas 36 y 37 muestran los mismos cálculos para la Planta PDT-
F-6 utilizando la Hoja de Excel mencionada.
N24 816
Número de Colectores= = = 68 colectores
12 12
N24 816
Número de Colectores= = = 68 colectores
12 12
Número de colectores 68
Número de Lazos = = = 17 lazos
4 4
Número de colectores 68
Número de Lazos = = = 17 lazos
4 4
N24 = x N (múltiplo de 48)24
10N24 = x N (múltiplo de 48)
24
10
N24 = módulos = 816 módulos (múltiplo de 48)24
x 32310
N24 = módulos = 816 módulos (múltiplo de 48)24
x 32310
24x 323
10
118
TABLA 36
Cálculos de energía solar para la planta PDT-F-6 - Sección de datos
Fuente: Nava, Jaimar
119
TABLA 37
cálculos de energía solar para la planta PDT-F-6 - Sección de cálculos fuente:
Nava, Jaimar
120
7. Diseño conceptual de una planta para calentar petróleo
utilizando colectores solares tipo cilíndrico-parabólico.
La figura 21 muestra el diseño conceptual de una instalación para
calentar petróleo en una Planta de Deshidratación utilizando energía
solar, captada mediante colectores cilíndricos-parabólicos.
PE
TR
ÓL
EO
y A
GU
A A
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E C
AM
PO
PETRÓLEO Y AGUA CALIENTESHACIA LOS TANQUES DE
DESHIDRATACIÓN
BOMBA
SENSOR DE TEMPERATURA
VÁLVULA AUTOMÁTICA
LEYENDA
N10 COLECTORES
(N24 - N10 ) COLECTORES
Aceite Sintético
Petr
óle
oy A
gu
a
SALMUERASALMUERA
PE
TR
ÓL
EO
y A
GU
A A
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E C
AM
PO
PETRÓLEO Y AGUA CALIENTESHACIA LOS TANQUES DE
DESHIDRATACIÓN
BOMBA
SENSOR DE TEMPERATURA
VÁLVULA AUTOMÁTICA
LEYENDA
SENSOR DE TEMPERATURA
VÁLVULA AUTOMÁTICA
LEYENDA
N10 COLECTORES
(N24 - N10 ) COLECTORES
Aceite Sintético
Petr
óle
oy A
gu
a
SALMUERASALMUERA
FIGURA 21
Instalación para calentar petróleo y agua en una planta de deshidratación
utilizando colectores solares Fuente: Nava, Jaimar
El diseño ha sido conceptualizado utilizando las hipótesis
anteriormente asumidas. En la parte superior de la instalación se
muestran N10 colectores, necesarios para calentar, de manera
121
directa, el petróleo y el agua durante el día, en circuito abierto, es
decir, el petróleo y el agua se calientan y fluyen hacia los tanques de
deshidratación.
En la parte inferior se muestran (N24 - N10) colectores, que durante el
día estarían captando calor para ser utilizado durante la noche. Este
calor sería transferido a un aceite sintético, en circuito cerrado, el
cual a su vez transferiría su calor a la salmuera contenida en el
tanque, ubicado al centro de la instalación, mediante un
intercambiador de calor convencional, tal como se muestra en la
figura 22.
Aceite Sintético
Petróleo y Agua
Tanque con
salmuera
Intercambiador
de Calor
Intercambiador
de Calor
Aceite Sintético
Petróleo y Agua
Tanque con
salmuera
Intercambiador
de Calor
Intercambiador
de Calor
FIGURA 22
Esquema simplificado del sistema de almacenamiento de calor. Fuente: Nava,
Jaimar
El calor almacenado en la salmuera será transferido al petróleo y al
agua durante la noche, también mediante un intercambiador de calor
convencional. Todo el proceso estaría controlado por válvulas
automáticas y sensores de temperatura. Los sensores de
temperatura registrarían la temperatura de los fluidos (petróleo y
agua) y enviarían las señales a las válvulas para dirigir el flujo
directamente a los tanques de deshidratación, siempre que el fluido
haya alcanzado la temperatura deseada. En caso contrario, los
sensores enviarán las señales a las válvulas para que el flujo se dirija
122
hacia el tanque de salmuera, y absorba calor hasta alcanzar la
temperatura deseada.
En el circuito de los (N24-N10) colectores se ha incorporado una
bomba, necesaria para recircular el aceite sintético. Este circuito
dispondría también de sensores de temperatura que enviarían la
señal a la bomba de recirculación para que se apague durante la
noche, y/o cuando el aceite alcance determinada temperatura.
123
CAPÍTULO V
Análisis de los Resultados
Este capítulo analiza el diseño de la instalación de Energía Solar
propuesto en para corroborar su viabilidad. También compara la
generación calor mediante gas natural con la generación mediante
Energía Solar, con el propósito de demostrar la cobertura de los
requerimientos de energía térmica.
1. Evaluación de la Planta
Dado que la investigación es descriptiva, no experimental, el balance
de energía representa la vía expedita para evaluar el diseño de la
planta. Para ello, se utilizarán las ecuaciones 13,14 y 15. Si el diseño
propuesto es capaz de garantizar suficiente calor para calentar el
flujo de petróleo y agua hasta la temperatura deseada, durante las
24 horas del día, entonces puede afirmarse que dicho diseño es
adecuado, de lo contrario, el diseño es inapropiado.
De acuerdo a la Ecuación 14:
Energía Captada= H t,s . Aa .. (. ..
La ecuación 14 debe ser levemente modificada para introducir el
factor de irradiancia solar durante solo 10 de las 24 horas del día,
para ello debe ser multiplicada por 10 y dividida entre 24, de manera
que exprese únicamente el calor captado en 10 horas. También debe
ser incorporado el factor 10-6, puesto que Ht,s está expresado en
watts, y se desea expresar el resultado en MW. Recuérdese que un
MW, equivale a 106 Watts. Introduciendo estas consideraciones, la
ecuación 14 se transforma en:
Energía Captada 10= (10/24) x H t,s . Aa .. (. .. x 10-6
, MW Ecuación 36
124
El subíndice 10 indica que el valor calculado representa solo el calor
captado durante las 10 horas de irradiancia solar.
El área total de captación, Aa, se obtiene multiplicando el área de un
módulo, Aur, por el número de módulos calculados.
Aa= Aur x N24 Ecuación 37
Para Aur= 72 m2
/módulo y N24= 816 módulos, se obtiene con la ecuación 37:
Aa= 72 m2
/módulo x 816 módulos = 58.752 m2
Sustituyendo valores en la ecuación 36, se obtiene:
Energía Captada10= (10/24)x723W/m2x
58.752m
2x0,88x0,9x0,76x0,92x10
-6= 9,8 MW
La Energía Disipada viene dada por la ecuación 15:
Energía Disipada por unidad de tiempo = Ar.Ucr.(Tm – Ta)
Ecuación 15
La ecuación 15 también debe ser modificada para introducir las
mismas consideraciones que en la ecuación 14.
Energía Disipada 10= (10/24).Ar.Ucr.(Tm-Ta) x 10-6
MW Ecuación 38
El área total de recepción, Ar, se obtiene multiplicando el número de
módulos calculados (N24) por el área unitaria de un receptor (Aur).
Ar= Aurx N24 Ecuación 39
Para Aur = 2,99 m2
y N24=816 módulos, con la ecuación 39 se obtiene:
Ar= Aurx N24= 2,99 m2
x 816 módulos = 2.442 m2
Sustituyendo valores en la ecuación 46, se obtiene:
Energía Disipada 10= (10/24). 2.442 m2. 3,70 W/m
2.°C. (250 ºC-32 ºC).10
-6 =0,8 MW
El balance de energía se establece como sigue:
Energía Efectiva10= Energía Captada10- Energía Disipada10 Ecuación 40
125
Energía Efectiva10 es la energía producida por el total de colectores
solares en las 10 horas de irradiancia solar. Sustituyendo valores en
la ecuación 40, se obtiene:
Energía Producida10= 9,8 MW – 0,8 MW = 9,0 MW
La energía requerida (ER) fue calculada en 8,5 MW.
La Cobertura del Requerimiento de Energía, expresada en porcentaje,
se obtiene dividiendo la energía producida entre la energía requerida,
y multiplicando el resultado por 100.
Ecuación 41
Sustituyendo valores en la ecuación 41 se obtiene:
Se obtiene entonces que los requerimientos de energía termosolar
para las 24 horas del día, son totalmente cubiertos, incluyendo la
perdida termodinámica y las perdidas por disipación, con un 5,3 % de
exceso, que puede ser asumido como un factor de sobre-diseño. Se
asume entonces como válido el diseño propuesto.
Otra forma de validar el diseño propuesto es calcular el requerimiento
areal de espejos o módulos y compararlo con proyectos en marcha.
Si el requerimiento del diseño propuesto está en el orden numérico
del proyecto en marcha, es un excelente indicativo de la viabilidad de
la propuesta.
El requerimiento areal se calculó para la PDT-F-6:
Ecuación 42
Sustituyendo valores en la ecuación 42 se obtiene:
9,0 MW
Cobertura del Requerimiento de Energía = x 100 = 105,3 %
8,5 MW
9,0 MW
Cobertura del Requerimiento de Energía = x 100 = 105,3 %
8,5 MW
Energía Producida10
Cobertura del Requerimiento de Energía= x 100Energía Requerida
Energía Producida10
Cobertura del Requerimiento de Energía= x 100Energía Requerida
AaRequerimiento Areal=
Energía Producida10
AaRequerimiento Areal=
Energía Producida10
126
Esto significa que se requieren 6.546 m2 de espejos para generar 1,0
MW.
Se comparó el requerimiento areal de la PDT-F-6 con el obtenido en
la planta Solnova I, ya mencionda. Los resultados se muestran en la
tabla 38.
PLANTAÁREA TOTAL
DE CAPTACIÓN
POTENCIA
GENERADA
(MW)
REQUERIMIENTO
AREAL
(m2/MW)
SOLNOVA I 311.040 50,0 6.221
PDT-F-6 58.752 9,0 6.546
TABLA 38
Comparación del requerimiento areal
Fuente: Nava, Jaimar
La planta PDT-F-6 resultó con un requerimiento areal solo un 5 %
mayor que la planta Solnova I, lo cual es un buen indicador de que el
diseño propuesto es valido. En caso de que los cálculos estuviesen
errados, se hubiesen obtenido cifras de requerimiento areal fuera del
orden de magnitud de la planta Solnova-1. Conviene resaltar que el
requerimiento areal es el mismo para todas las Plantas de
Deshidratación de Tierra Este Pesado, puesto que la ubicación
geográfica y demás parámetros de cálculos son los mismos.
2.- ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA ENERGÍA TÉRMICA
Utilizando la Hoja de Excel ya mencionada, se realizaron los cálculos
para estimar el número de módulos necesarios para sustituir el gas
58.752 m2
Requerimiento Areal= = 6.546 m2/MW
9,0 MW
58.752 m2
Requerimiento Areal= = 6.546 m2/MW
9,0 MW
127
natural por Energía Solar en el resto de las Plantas de Deshidratación
de Tierra Este Pesado. Los resultados se presentan en la tabla Nº 39.
PLANTA MÓDULOS COLECTORES LAZOS
POTENCIA
GENERADA
(MW)
COBERTURA DEL
REQUERIMIENTO DE
ENERGÍA
(%)
PDT F-6 816 68 17 9,0 105,3
H-7 CABIMAS 624 52 13 6,9 102,4
PDT LAG. SUR 2.208 184 46 24,3 100,7
PDT BACH 960 80 20 10,6 101,7
TOTALES 4.608 384 96 51 -
TABLA 39
Cálculos de energía solar - Tierra Este Pesado
Fuente: Nava, Jaimar
En total, se requieren 96 lazos para calentar el petróleo en todas las
Plantas de Deshidratación de Tierra Este Pesado, con lo cual se
ahorrarían 4,2 MMPCND.
La tabla Nº 40 compara la energía necesaria para calentar el petróleo
usando gas natural, con la energía producida mediante los colectores
solares cilíndricos-parabólicos.
PDT F-6 8,5 9,0 5,3
H-7 CABIMAS 6,7 6,9 2,4
PDT LAG. SUR 24,1 24,3 0,7
PDT BACH 10,4 10,6 1,5
TOTALES 49,8 50,7 1,9
PLANTA
ENERGÍA REQUERIDA
UTILIZANDO GAS
NATURAL(MW)
ENERGÍA SOLAR
PRODUCIDA (MW)
DIFERENCIA
ENERGÍA SOLAR-
GAS NATURAL (%)
TABLA 40
ENERGÍA REQUERIDA VS. ENERGÍA SOLAR GENERADA FUENTE: NAVA, JAIMAR
Resulta evidente que en todas las plantas la Energía Solar calculada
es suficiente para cubrir los requerimientos, con pequeños
excedentes.
128
CONCLUSIONES
1. La captación de la radiación solar de este tipo de colectores se
fundamenta en su geometría, concentrando el calor captado en su
centro geométrico, donde se ubica la tubería que conduce el fluido
caloportador.
2. Los cálculos indican que son suficientes 96 lazos (384 colectores)
para sustituir el gas natural por Energía Solar en todas las Plantas de
Deshidratación de Tierra este Pesado.
3. La implementación de la Energía Solar permitiría ahorrar 4,2
MMPCND de gas natural, y evitar la emisión de 4,2 MMPCND de CO2,
amén de otras bondades de índole social y económica.
4. El diseño conceptual de una instalación para calentar petróleo en
las Plantas de Deshidratación de Tierra Este Pesado propuesto, emula
la instalación del lazo DISS de la PSA, e incorpora sistema de
almacenamiento de calor y controles automáticos para garantizar el
calentamiento del petróleo a la temperatura deseada durante las 24
horas del día.
5. Si el lazo DISS de la PSA, que es una realidad en pleno
funcionamiento, es capaz de generar vapor de manera directa
utilizando Energía Solar, el diseño conceptual propuesto debe ser
capaz de calentar petróleo sin ninguna dificultad.
6. El balance de energía realizado indica, que el diseño de Energía
Solar propuesto, es capaz de satisfacer las necesidades de energía
térmica en todas las plantas, en sustitución del gas natural.
129
7. En caso de que el suministro de gas falle o sea insuficiente, el
calentamiento de petróleo es afectado, impactando negativamente
sobre la deshidratación, lo cual generaría diferida.
130
RECOMENDACIONES
1.- Implementar un proyecto piloto en una Planta de Deshidratación
de Tierra Este Pesado, sustituyendo el gas natural por colectores
solares tipo cilíndrico-parabólico.
2.- En caso de que los resultados del proyecto piloto sean positivos,
sustituir los calentadores a gas por colectores solares del tipo
cilíndrico-parabólico en todas las Plantas de Deshidratación de
Tierra Este Pesado.
3.- Instalar en Venezuela una fábrica de colectores solares del tipo
cilíndrico-parabólico.
4.- Analizar todos los procesos de la Industria Petrolera que utilizan
gas natural como fuente de energía, a objeto de sustituir el gas
por Energía Solar en el futuro.
131
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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2006.
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Páginas Web
http://www.abengoasolar.com
133
http://es.wikipedia.org/wiki/John_Ericsson.
http://www.scribd.com/
134
ANEXOS
135
ANEXO A
ANEXO A ESTIMACIÓN DEL CONSUMO DE GAS PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
F-6 FUENTE: NAVA, JAIMAR
136
ANEXO B
ANEXO B ESTIMACIÓN DEL CONSUMO DE GAS PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
H-7. FUENTE: NAVA, JAIMAR
137
ANEXO C
ANEXO C ESTIMACIÓN DEL CONSUMO DE GAS PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
LAGUNILLAS SUR FUENTE: NAVA, JAIMAR
138
ANEXO D
ANEXO D
ESTIMACIÓN DEL CONSUMO DE GAS PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES BACHAQUERO. FUENTE: NAVA, JAIMAR
139
ANEXO E
ANEXO E ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
F- 6 – SECCIÓN DE DATOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
140
ANEXO F
ANEXO F ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
F- 6 – SECCIÓN DE CÁLCULOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
141
ANEXO G
ANEXO G ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
H-7 – CABIMAS – SECCIÓN DE DATOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
142
ANEXO H
ANEXO H ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
H-7 – CABIMAS – SECCIÓN DE CÁLCULOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
143
ANEXO I
ANEXO I ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
LAGUNILLAS SUR – SECCIÓN DE DATOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
144
ANEXO J
ANEXO J ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
LAGUNILLAS SUR – SECCIÓN DE CÁLCULOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
145
ANEXO K
ANEXO K ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
BACHAQUERO – SECCIÓN DE DATOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
146
ANEXO L
ANEXO L ESTIMACIONES DE ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO EN EL PATIO DE TANQUES
BACHAQUERO – SECCIÓN DE CÁLCULOS FUENTE: NAVA, JAIMAR
