Diseño de los sistemas de comunicación en plantas de exploración y producción de hidrocarburos

Las plantas industriales de exploración y producción de petróleo y gas disponen de numerosos sistemas de comunicación que permiten el correcto funcionamiento de los procesos que tienen lugar en ella así como la seguridad de la propia planta. Para el presente Proyecto Fin de Carrera se ha llevado a cabo el diseño del sistema de megafonía PAGA (Public Address and General Alarm) y del circuito cerrado de televisión (CCTV) en la unidad de procesos Hydrocrcaker encargada del craqueo de hidrógeno. Partiendo de los requisitos definidos por las especificaciones corporativas de los grupos petroleros para ambos sistemas, PAGA y CCTV, se han expuesto los principios teóricos sobre los que se fundamenta cada uno de ellos y las pautas a seguir para el diseño y demostración del buen funcionamiento a partir de software específico. Se ha empleado las siguientes herramientas software: EASE para la simulación acústica, PSpice para la simulación eléctrica de las etapas de amplificación en la megafonía; y JVSG para el diseño de CCTV. La sonorización tanto de las unidades como del resto de instalaciones interiores ha de garantizar la inteligibilidad de los mensajes transmitidos. La realización de una simulación acústica permite conocer cómo va a ser el comportamiento de la megafonía sin necesidad de instalar el sistema, lo cual es muy útil para este tipo de proyectos cuya ingeniería se realiza previamente a la construcción de la planta. Además se comprueba el correcto diseño de las etapas de amplificación basadas en líneas de alta impedancia o de tensión constante (100 V). El circuito cerrado de televisión (CCTV) garantiza la transmisión de señales visuales de todos los accesos a las instalaciones y unidades de la planta así como la visión en tiempo real del correcto funcionamiento de los procesos químicos llevados a cabo en la refinería. El sistema dispone de puestos de control remoto para el manejo y gestión de las cámaras desplegadas; y de un sistema de almacenamiento de las grabaciones en discos duros (RAID-5) a través de una red SAN (Storage Area Network). Se especifican las diferentes fases de un proyecto de ingeniería en el sector de E&P de hidrocarburos entre las que se destaca: propuesta y adquisición, reunión de arranque (KOM, Kick Off Meeting), estudio in situ (Site Survey), plan de proyecto, diseño y documentación, procedimientos de pruebas, instalación, puesta en marcha y aceptaciones del sistema. Se opta por utilizar terminología inglesa dado al ámbito global del sector. En la última parte del proyecto se presenta un presupuesto aproximado de los materiales empleados en el diseño de PAGA y CCTV. ABSTRACT. Integrated communications for Oil and Gas allows reducing risks, improving productivity, reducing costs, and countering threats to safety and security. Both PAGA system (Public Address and General Alarm) and Closed Circuit Television have been designed for this project in order to ensure a reliable security of an oil refinery. Based on the requirements defined by corporate specifications for both systems (PAGA and CCTV), theoretical principles have been presented as well as the guidelines for the design and demonstration of a reliable design. The following software has been used: EASE for acoustic simulation; PSpice for simulation of the megaphony amplification loops; and JVSG tool for CCTV design. Acoustic for both the units and the other indoor facilities must ensure intelligibility of the transmitted messages. An acoustic simulation allows us to know how will be the performance of the PAGA system without installing loudspeakers, which is very useful for this type of project whose engineering is performed prior to the construction of the plant. Furthermore, it has been verified the correct design of the amplifier stages based on high impedance lines or constant voltage (100 V). Closed circuit television (CCTV) ensures the transmission of visual signals of all access to facilities as well as real-time view of the proper functioning of chemical processes carried out at the refinery. The system has remote control stations for the handling and management of deployed cameras. It is also included a storage system of the recordings on hard drives (RAID - 5) through a SAN (Storage Area Network). Phases of an engineering project in Oil and Gas are defined in the current project. It includes: proposal and acquisition, kick-off meeting (KOM), Site Survey, project plan, design and documentation, testing procedures (SAT and FAT), installation, commissioning and acceptance of the systems. Finally, it has been presented an estimate budget of the materials used in the design of PAGA and CCTV.

Development of an Elevated Temperature Loop Heat Pipe for Space Applications and Investigation of Non Condensable Gas Impact on its Performance

Un caloducto en bucle cerrado o Loop Heat Pipe (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor cuyo principio de operación se basa en la evaporación/condensación de un fluido de trabajo, que es bombeado a través de un circuito cerrado gracias a fuerzas de capilaridad. Gracias a su flexibilidad, su baja masa y su mínimo (incluso nulo) consumo de potencia, su principal aplicación ha sido identificada como parte del subsistema de control térmico de vehículos espaciales. En el presente trabajo se ha desarrollado un LHP capaz de funcionar eficientemente a temperaturas de hasta 125 oC, siguiendo la actual tendencia de los equipos a bordo de satélites de incrementar su temperatura de operación. En la selección del diseño optimo para dicho LHP, la compatibilidad entre materiales y fluido de trabajo se identificó como uno de los puntos clave. Para seleccionar la mejor combinación, se llevó a cabo una exhaustiva revisión del estado del arte, además de un estudio especifico que incluía el desarrollo de un banco de ensayos de compatibilidad. Como conclusión, la combinación seleccionada como la candidata idónea para ser integrada en el LHP capaz de operar hasta 125 oC fue un evaporador de acero inoxidable, líneas de titanio y amoniaco como fluido de trabajo. En esa línea se diseñó y fabricó un prototipo para ensayos y se desarrolló un modelo de simulación con EcosimPro para evaluar sus prestaciones. Se concluyó que el diseño era adecuado para el rango de operación definido. La incompatibilidad entre el fluido de trabajo y los materiales del LHP está ligada a la generación de gases no condensables. Para un estudio más detallado de los efectos de dichos gases en el funcionamiento del LHP se analizó su comportamiento con diferentes cantidades de nitrógeno inyectadas en su cámara de compensación, simulando un gas no condensable formado en el interior del dispositivo. El estudio se basó en el análisis de las temperaturas medidas experimentalmente a distintos niveles de potencia y temperatura de sumidero o fuente fría. Adicionalmente, dichos resultados se compararon con las predicciones obtenidas por medio del modelo en EcosimPro. Las principales conclusiones obtenidas fueron dos. La primera indica que una cantidad de gas no condensable más de dos veces mayor que la cantidad generada al final de la vida de un satélite típico de telecomunicaciones (15 años) tiene efectos casi despreciables en el funcionamiento del LHP. La segunda es que el principal efecto del gas no condensable es una disminución de la conductancia térmica, especialmente a bajas potencias y temperaturas de sumidero. El efecto es más significativo cuanto mayor es la cantidad de gas añadida. Asimismo, durante la campaña de ensayos se observó un fenómeno no esperado para grandes cantidades de gas no condensable. Dicho fenómeno consiste en un comportamiento oscilatorio, detectado tanto en los ensayos como en la simulación. Este efecto es susceptible de una investigación más profunda y los resultados obtenidos pueden constituir la base para dicha tarea. ABSTRACT Loop Heat Pipes (LHPs) are heat transfer devices whose operating principle is based on the evaporation/condensation of a working fluid, and which use capillary pumping forces to ensure the fluid circulation. Thanks to their flexibility, low mass and minimum (even null) power consumption, their main application has been identified as part of the thermal control subsystem in spacecraft. In the present work, an LHP able to operate efficiently up to 125 oC has been developed, which is in line with the current tendency of satellite on-board equipment to increase their operating temperatures. In selecting the optimal LHP design for the elevated temperature application, the compatibility between the materials and working fluid has been identified as one of the main drivers. An extensive literature review and a dedicated trade-off were performed, in order to select the optimal combination of fluids and materials for the LHP. The trade-off included the development of a dedicated compatibility test stand. In conclusion, the combination of stainless steel evaporator, titanium piping and ammonia as working fluid was selected as the best candidate to operate up to 125 oC. An LHP prototype was designed and manufactured and a simulation model in EcosimPro was developed to evaluate its performance. The first conclusion was that the defined LHP was suitable for the defined operational range. Incompatibility between the working fluid and LHP materials is linked to Non Condensable Gas (NCG) generation. Therefore, the behaviour of the LHP developed with different amounts of nitrogen injected in its compensation chamber to simulate NCG generation, was analyzed. The LHP performance was studied by analysis of the test results at different temperatures and power levels. The test results were also compared to simulations in EcosimPro. Two additional conclusions can be drawn: (i) the effects of an amount of more than two times the expected NCG at the end of life of a typical telecommunications satellite (15 years) is almost negligible on the LHP operation, and (ii) the main effect of the NCG is a decrease in the LHP thermal conductance, especially at low temperatures and low power levels. This decrease is more significant with the progressive addition of NCG. An unexpected phenomenon was observed in the LHP operation with large NCG amounts. Namely, an oscillatory behaviour, which was observed both in the tests and the simulation. This effect provides the basis for further studies concerning oscillations in LHPs.

High sensitivity biosensors based on shear mode AIN resonators for in liquid operation

El diagnóstico y detección temprana de enfermedades son clave para reducir la tasa de mortalidad, las hospitalizaciones de larga duración y el desaprovechamiento de recursos. En los últimos años se ha impulsado, mediante un aumento de la financiación, el desarrollo de nuevos biosensores de bajo coste capaces de detectar y cuantificar cantidades muy pequeñas de especies biológicas de una forma barata y sencilla. El trabajo presentado en esta Tesis Doctoral describe la investigación llevada a cabo en el desarrollo de sensores gravimétricos basados en resonadores de ondas acústicas de volumen (BAW) de estructura maciza (SMR). Los dispositivos emplean películas delgadas de A1N como material piezoeléctrico y operan en modo de cizalladura, para así poder detectar especies biológicas en medio líquido. El principio de funcionamiento de estos sensores se basa en la variación que experimenta la frecuencia de resonancia al quedar una pequeña masa adherida a su superficie. Necesitan operar en modo de cizalladura para que su resonancia no se atenúe al trabajar en medio líquido, así como ofrecer una superficie capaz de ser funcionalizada específicamente para la especie biológica a detectar. El reto planteado en esta tesis requiere un acercamiento pluridisciplinar al problema que incluye el estudio de los diferentes materiales que constituyen la estructura multicapa que forma un SMR, el diseño y fabricación del dispositivo y del sistema de fluídica, la funcionalización bioquímica de la superficie del sensor, la demostración de la capacidad de detección de especies biológicas y finalmente el diseño y fabricación de la electrónica asociada para la detección de la señal eléctrica. Todas esas tareas han sido abordadas en las distintas etapas del desarrollo de esta tesis y las contribuciones más relevantes se describen en el documento. En el campo de desarrollo de los materiales, se propone un proceso en dos etapas para la pulverización reactiva de capas de A1N que contengan microcristales inclinados capaces de excitar el modo de cizalladura. Se caracteriza la velocidad acústica del modo de cizalladura en todos los materiales que componen la estructura, con el fin de poder obtener un diseño más adecuado del reflector acústico. Se propone un nuevo tipo de material aislante de alta impedancia acústica consistente en capas de W03 pulverizadas que presenta ciertas ventajas tecnológicas frente a las capas convencionales de Ta205. Respecto del diseño del transductor, se estudia la influencia que tienen los con tactos eléctricos extendidos del resonador necesarios para poder adaptar el sistema de fluídica a la estructura. Los resultados indican que es necesario trabajar sobre sustratos aislantes (tanto el soporte como el espejo acústico) para evitar efectos parásitos asociados al uso de capas metálicas bajo los electrodos del resonador que dañan su resonancia. Se analiza la influencia de las diferentes capas del dispositivo en el coeficiente de temperatura de la frecuencia (TCF) del resonador llegando a la conclusión de que las dos últimas capas del reflector acústico afectan significativamente al TCF del SMR, pudiendo reducirse ajusfando adecuadamente sus espesores. De acuerdo con los resultados de estos estudios, se han diseñado finalmente resonadores SMR operando a f .3 GHz en modo de cizalladura, con un área activa de 65000 /xm2, contactos eléctricos que se extienden f .7 mm y factores de calidad en líquido de f 50. Las extensiones eléctricas permiten adaptar el resonador a un sistema de fluídica de metacrilato. Para la detección de especies biológicas se realiza un montaje experimental que permite circular 800 ¡A por la superficie del sensor a través de un circuito cerrado que trabaja a volumen constante. La circulación de soluciones iónicas sobre el sensor descubierto pone de manifiesto que las altas frecuencias de operación previenen los cortocircuitos y por tanto el aislamiento de los electrodos es prescindible. Se desarrolla un protocolo ad-hoc de funcionalización basado en el proceso estándar APTESGlutaraldehído. Se proponen dos alternativas novedosas para la funcionalización de las áreas activas del sensor basadas en el uso de capas de oxidación de Ir02 y su activación a través de un plasma de oxígeno que no daña al dispositivo. Ambos procesos contribuyen a simplificar notablemente la funcionalización de los sensores gravimétricos. Se utilizan anticuerpos y aptámeros como receptores para detectar trombina, anticuerpo monoclonal IgG de ratón y bacteria sonicadas. Una calibración preliminar del sensor con depósitos de capas finas de Si02 de densidad y espesor conocidos permite obtener una sensibilidad de 1800 kHz/pg-cm2 y un límite de detección of 4.2 pg. Finalmente se propone el prototipo de un circuito electrónico de excitación y lectura de bajo coste diseñado empleando teoría de circuitos de microondas. Aunque su diseño y funcionamiento admite mejoras, constituye la última etapa de un sistema completo de bajo coste para el diagnóstico de especies biológicas basado en resonadores SMR de A1N. ABSTRACT Early diagnosis and detection of diseases are essential for reducing mortality rate and preventing long-term hospitalization and waste of resources. These requirements have boosted the efforts and funding on the research of accurate and reliable means for detection and quantification of biological species, also known as biosensors. The work presented in this thesis describes the development and fabrication of gravimetric biosensors based on piezoelectric AlN bulk acoustic wave (BAW) solidly mounted resonators (SMRs) for detection of biological species in liquid media. These type of devices base their sensing principles in the variation that their resonant frequency suffers when a mass is attached to their surface. They need to operate in the shear mode to maintain a strong resonance in liquid and an adequate functionalisation of their sensing area to guarantee that only the targeted molecules cause the shift. The challenges that need to be overcome to achieve piezoelectric BAW resonators for high sensitivity detection in fluids require a multidisciplinary approach, that include the study of the materials involved, the design of the device and the fluidic system, the biochemical functionalisation of the active area, the experimental proof-of-concept with different target species and the design of an electronic readout circuit. All this tasks have been tackled at different stages of the thesis and the relevant contributions are described in the document. In the field of materials, a two-stage sputtering deposition process has been developed to obtain good-quality AlN films with uniformly tilted grains required to excite the shear mode. The shear acoustic velocities of the materials composing the acoustic reflector have been accurately studied to ensure an optimum design of the reflector stack. WO3 sputtered films have been proposed as high acoustic impedance material for insulating acoustic reflectors. They display several technological advantages for the processing of the resonators. Regarding the design, a study of the influence of the electrical extensions necessary to fit a fluidic system on the performance of the devices has been performed. The results indicate that high resistivity substrates and insulating reflectors are necessary to avoid the hindering of the resonance due to the parasitic effects induced by the extensions. The influence of the different layers of the stack on the resultant TCF of the SMRs has also been investigated. The two layers of the reflector closer to the piezoelectric layer have a significant influence on the TCF, which can be reduced by modifying their thicknesses accordingly. The data provided by these studies has led to the final design of the devices, which operate at 1.3 GHz in the shear mode and display an active area of 65000 /xm2 and electrical extensions of 1.7 mm while keeping a Qahear=150 in liquid. The extensions enable to fit a custom-made fluidic system made of methacrylate. To perform the biosensing experiments, an experimental setup with a liquid closed circuit operating at constant flow has been developed. Buffers of ionic characteristics have been tested on non-isolated devices, revealing that high operation frequencies prevent the risk of short circuit. An ad-hoc functionalisation protocol based on the standard APTES - Glutaraldehyde process has been developed. It includes two new processes that simplify the fabrication of the transducers: the use of IrO2 as oxidation layer and its functionalisation through an O2 plasma treatment that does not damage the resonators. Both antibodies and aptamers are used as receptors. In liquid sensing proof-of-concept experiments with thrombin, IgG mouse monoclonal antibody and sonicated bacteria have been displayed. A preliminary calibration of the devices using SiO2 layers reveals a sensitivity of 1800 kHz/pg-cm2 and a limit of detection of 4.2 pg. Finally, a first prototype of a low-cost electronic readout circuit designed using a standard microwave approach has been developed. Although its performance can be significantly improved, it is an effective first approach to the final stage of a portable low-cost diagnostic system based on shear mode AlN SMRs.

Eliminación de nutrientes mediante el empleo de cultivos hidropónicos

La presente investigación se presenta como una alternativa para la reducción de la contaminación por nutrientes que produce el vertido de aguas residuales provenientes de núcleos urbanos que acaban en lagos, lagunas o embalses acelerando los procesos de eutrofización de los mismos. El objetivo de esta tesis es analizar la reducción de nutrientes, fundamentalmente nitrógeno, fósforo y potasio, del agua residual doméstica sometida a tratamiento a través de cultivos hidropónicos en un determinado periodo de tiempo, observando a su vez la evolución del cultivo seleccionado. El sistema se diseñó para funcionar en circuito cerrado con el agua residual circulando por entre las raíces de los vegetales estudiados. El cultivo seleccionado fue el “kenaf”, aunque después de mucho tiempo dedicado a la obtención de semillas de “kenaf “por diferentes proveedores, se decidió comenzar un primer ensayo utilizando plantas de aloe vera durante un periodo de un mes de verano. Se procedió a la colocación de plantas en un tubo conteniendo agua residual de una fosa séptica domiciliaria. La reducción de la DBO5 y la DQO fue notable aunque los resultados de la variación de nitratos y fosfatos no fueron concluyentes. Las altas temperaturas alcanzada en esas fechas por el agua circulante, finalmente imposibilitó la continuación del ensayo. Si bien esta primera puesta en marcha no resultó como se esperaba, aportó numerosa información para modificar el planteo del estudio, la forma de llevarlo a cabo y la puesta a punto de la propia instalación. El segundo ensayo se llevó a cabo en otoño con plantas de kenaf obtenidas del ensayo previo en suelo en una parcela piloto en los llanos de Villamartín, en la provincia de Cádiz. Antes de incorporar el agua al sistema hidropónico se analizaron todos los parámetros requeridos por la normativa española del agua para determinar su clasificación como agua residual doméstica. Luego se le dio seguimiento a la variación de los nutrientes, nitrógeno, fósforo y potasio a lo largo de varias semanas para evaluar la efectividad del tratamiento. Las plantas de kenaf continuaron su desarrollo utilizando las sustancias disueltas en el agua residual como única fuente de nutrientes disponible. This research is presented as an alternative to reduce the pollution that wastewater discharges from towns generate when they end in lakes, ponds and reservoirs, by accelerating the eutrophication processes. The objective of this thesis is to analyze the reduction of nutrients, mainly nitrogen, phosphorus and potassium, of domestic wastewater treated through hydroponics crops in a given period of time, noting at the same time the evolution of the selected crop. The system was designed to operate in closed circuit with the wastewater circulating through the roots of the studied plants. The selected crop was "kenaf", although after much time spent in obtaining seeds of "kenaf"by different vendors and the impossibility of achieving its germination; it was decided to start a first test using Aloe Vera plants for a period of one month in the summer. The plants were introduced in the holes of a tube containing septic wastewater. The BOD5 and COD reduction was remarkable though the results of the variation in nitrates and phosphates were inconclusive. High temperatures achieved in those dates by circulating water, eventually precluded the continuation of the test. Although this first implementation was not running as expected, it provided information to modify the proposal of the study, the way to carry it out and the development of the installation itself. The second test was conducted in autumn with kenaf plants obtained from the previous test in a pilot plant in the flatness of Villamartín, province of Cádiz. Before adding the water to the hydroponic system all the parameters required by the Spanish water regulations were analyzed to determine their classification as domestic waste water. Then, the variation of nutrients, nitrogen, phosphorus and potassium was tracking over several weeks to evaluate the effectiveness of the treatment. Kenaf plants continued its development using the substances dissolved in wastewater as sole source of nutrients available.

Prototipo experimental para implementar las solicitaciones del viento en los buques amarrados. Aplicación a un crucero

Habitualmente en los ensayos de barcos amarrados se reproduce la acción del oleaje. Se ha diseñado un sistema para la reproducción del efecto del viento en estos ensayos, utilizando motores, poleas, hilos de conexión, muelles, galgas y controladoras, de forma que la fuerza ejercida por el viento, previamente calculada considerando las características del barco y del viento, se transmite al barco mediante los elementos que componen el sistema. Este sistema consiste en un circuito cerrado de transmisión de fuerza con un motor que simultáneamente actúa sobre dos muelles deformándolos en sentidos opuestos, los cuales transmiten las fuerzas en los costados del buque, siendo la diferencia del alargamiento de los muelles la fuerza resultante sobre el barco. El sistema se aplicó a un buque crucero, obteniendo unos resultados que muestran la importancia de tener en cuenta el viento racheado como un agente adicional al oleaje que provoca movimientos y esfuerzos en las amarras y defensas elevados, dependiendo de su intensidad y dirección. Se ensayaron tres condiciones: modelo alimentado únicamente con olas, solo con viento y con ambos. En cada ensayo realizado se registraron los movimientos del buque, las fuerzas en las amarras y las reacciones en las defensas. La aportación de la Tesis es un sistema mecánico para excitar el modelo del buque amarrado con viento racheado superpuesto a la acción del oleaje. Evidentemente los resultados que se obtengan se ajustarán más a la situación real que reproduciendo sólo el oleaje. ABSTRACT Traditionally, moored ship tests with small-scale models only take into account the disturbance effect of waves. In this thesis, the design and testing of a system also implementing the effect of wind in moored ships is analyzed. The system is based on rotatory actuators acting on linear springs. This solution has a swift enough response to reproduce the fluctuating component of the wind. Three scenarios have been tested: waves, wind and combination of both. In order to assess the results, different sensors are connected to a computer for data acquisition, allowing the recording and subsequent analysis of the measured variables (forces in ropes, reactions in fenders and ship motions). The results obtained from the experiments show a great impact when wind effect is considered. A superposition effect is observed when waves and wind act together on the ship, emphasizing therefore the importance of taking the wind into account in berthed vessel tests, achieving safer and more realistic results.