Diseño y construcción de una mini-turbina eólica

Dado que es difícil imaginar en el futuro una sociedad moderna donde la energía no juegue un papel fundamental y puesto que numerosos estudios han demostrado que el ritmo actual de consumo de combustibles es insostenible y perjudicial para la vida del planeta, es fundamental concienciar a la humanidad de que un cambio de tendencia no solo es necesario sino que es imperativo. No se trata de erradicar por completo el uso de fuentes de carácter fósil, pues en muchos países es su principal o incluso su única forma de obtener energía, sino de avanzar hacia un equilibrio en la generación, para lo que será vital permitir el desarrollo de energías limpias, aumentar la eficiencia de la tecnología y reducir el consumo. En este contexto se ha decidido construir un rotor eólico de pequeñas dimensiones que servirá como herramienta de estudio para alumnos de ingeniería. Para diseñar la turbina se ha desarrollado un modelo de programación informática que, basado en conceptos aerodinámicos, permite calcular la geometría de las palas en función de unas condiciones iniciales, estimar la potencia del rotor y obtener sus curvas de funcionamiento. Uno de los principales problemas de la tecnología eólica es su alta variabilidad, por ello se ha implementado un sistema de regulación de velocidad; se trata de un mecanismo que actúa sobre la orientación de las palas y permite regular la potencia de un generador eléctrico acoplado al rotor. Los aerogeneradores actuales recurren a este tipo de sistemas para tratar de suavizar los desequilibrios de potencia que puedan producir las ráfagas de viento. Se ha recurrido a un software de diseño asistido por ordenador para dibujar tanto el rotor como el sistema de regulación de velocidad. La mayoría de las piezas del rotor se han fabricado con ayuda de una impresora 3D, otras, las metálicas, se han tallado en aluminio mediante un torno. Aunque el programa informático que realiza los cálculos aerodinámicos devuelve datos teóricos a cerca del comportamiento del rotor, se ha creído necesario probar el molino mediante ensayos de laboratorio a fin de obtener un resultado más realista.Abstract Given that it’s difficult to imagine any modern society in the future where energy does not play a crucial role, and as many studies have shown that the actual rate of fuel consumption is unsustainable and harmful to life on the planet, it is essential to raise mankind’s awareness that a change in the current trend is not only necessary, but is also imperative. It is not a question of completely eradicating the use of fossil fuels, as in many countries they are the main or even the only way of generating energy, but rather working towards a balance in generation. To do so it is vital to encourage the development of clean energies, increase technological efficiency and reduce consumption. In view of this we have decided to build a small scale wind turbine rotor which can be used as a study tool for engineering students. To design the turbine a software programme was developed based on aerodynamic concepts, which allows us to calculate the geometry of the blades depending on certain initial conditions, estimate the power of the turbine, and obtain performance curves. One of the main issues with wind technology is its high variability, and therefore we implemented a speed regulation system consisting of a mechanism that varies the orientation of the blades and thus allows us to regulate the power of an electric generator attached to the turbine. Current wind powered generators use this type of system to try to smooth out spikes in power that may be caused by gusts of wind. We have used CAD software to design both the turbine itself and the speed regulation system. Most of the turbine parts have been manufactured with the aid of a 3D printer, while the other metallic parts have been turned on made a lathe in aluminum. Although the software programme which calculates the aerodynamics provide us theoretical data about the operation of the rotor. We consider it necessary to test the wind turbine in a lab to obtain more accurate results.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Viabilidad de un centro tecnológico de innovación y control de calidad en Puertollano

El proyecto tiene por objeto la realización de los estudios técnicos, económicos y de mercado necesarios para definir la estrategia de creación de un Centro Tecnológico en Puertollano (Ciudad Real), ya que no existe en Castilla-La Mancha y tampoco en España un Laboratorio de estas características que trate conjuntamente campos muy demandados por los sectores de las Energías Renovables y la Industria Energética, lo que potenciará en un futuro inmediato un importante campo de negocio. Con el propósito de tener una estrategia adecuada en el desarrollo e implantación de este Centro se ha realizado un estudio de la optimización de los servicios a prestar mediante la implantación de Sistemas de Gestión de Calidad y Sistemas de Gestión de Actividades de Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+I) en relación con la actividad del negocio y fomentar en este aspecto la colaboración de las Administraciones y Universidades. El déficit en la competitividad de la economía española afecta a los conceptos íntimamente ligados de calidad y seguridad. Las exigencias cada vez mayores de seguridad y controles metrológicos de normativas europeas en el uso de energías, combustibles e industria, prevén un horizonte muy interesante para los servicios colaterales del Control de Calidad. ABSTRACT The main objetive of this project is to make a technical, economical and marketing study to define the creation strategy of a Technological Centre in Puertollano (Ciudad Real), since there is none in Castilla-La Mancha, or in Spain. Such laboratory would jointly manage fields of high demand by the Renevable Energy Industry sectors, that would enable the development of an important business field. With the purpose of having an appropriate strategy for the development and implementation of this centre, a service optimization study has been made, using the Quality Management Investigation, and ID Systems. This is related to business activities and seeks to foment the colaboration with the Administration and universities. The competitiviness déficit of the Spanish Economy, affects some closely related concepts of quality and security. The constantly growing requirements of security and metrological controls, due to energy, fuel and industry european laws, anticípate an interesting progress for the colateral services of Quality Control.

Solución de gestión y control de la integridad de pozos

El objetivo de este proyecto es la creación de un modelo de gestión y control de la integridad de pozo, basado en el seguimiento de la operación y el análisis de su diseño y construcción. Para ello se diseña una herramienta tecnológica que permita disponer de la información necesaria y gestionarla según estándares internacionales. En la fase inicial del proyecto se realizó una revisión bibliográfica de los estudios más relevantes sobre integridad de pozos, tanto de la asociación SPE (Society of Petroleum Engineers), de Universidades de Noruega y México, o de empresas como ECOPETROL, con el fin entrar en el contexto y analizar antecedentes de modelos y herramientas similares. En segundo lugar se ha realizado un estudio de las bases de datos, comenzando por un análisis de los estándares de PPDM (The Professional Petroleum Data Management Association) sobre los que se realiza la herramienta y se ha seleccionado la base de datos que más se adecua a la herramienta, considerando Access como la mejor opción por ser de fácil acceso e incorporar el módulo de informes. Para la creación de la solución se diseñó un modelo de datos, condicionado por los requisitos de integridad de pozos de la normativa noruega NORSOK D-010 y de la guía de recomendaciones para la integridad de pozos de la asociación de petróleo y gas de Noruega. La materialización de este modelo se realizó mediante la creación de una base de datos en la plataforma Access, y empleando lenguaje propio de Access combinado con programación SQL. Una vez definido y construido el modelo de datos, es posible crear una capa de visualización de la información. Para ello se define un informe de estado de pozo. Este informe será visible por el usuario según sus roles y responsabilidades. ABSTRACT The objective of this project is to create a model for managing and controlling the well integrity. It is based on the monitoring of the operation and the analysis of its design and construction. Therefore a technological tool is designed; to allow having the necessary information and to manage it according to international standards. At the beginning of the project, a literature review of the most relevant studies on well integrity was performed. It was made to enter into context and to analyze the history of the models and available similar tools. It included texts from the association SPE (Society of Petroleum Engineers), universities from Norway and Mexico, and companies like ECOPETROL. Secondly there has been a study of the databases. It began with an analysis of PPDM (The Professional Petroleum Data Management Association) standards; about which, the tool is made. After the analysis, Access was considered the best option because it is easily accessible and incorporates the reporting module. In order to create the solution a data model was designed. It was conditioned by the requirements of integrity of wells, in the Norwegian standards and in the NORSOK D010 recommendations guide for well integrity of the Norwegian oil and gas Association. This model was performed by a database in the Access platform, and using Access language, combined with SQL programming. Once the data model is defined and built, it is possible to create a layer of data visualization. A report of this well is defined to create it. This report will be visible for the user according to their roles and responsibilities.

Modelización del efecto de la pendiente de la vía sobre el consumo de vehículos turismo

El presente trabajo tiene por objetivo generar una metodología validada que permita predecir el consumo de vehículos turismo circulando en cualquier tramo de vía a partir del perfil orográfico y del diagrama velocidad-tiempo. Para la generación de la metodología, se ha realizado un modelo de simulación con el programa ADVISOR que permite calcular el consumo de combustible para un determinado recorrido en el que se tiene en cuenta el perfil orográfico. Este modelo fue validado con datos reales medidos con equipos on-board y se usó para calcular el consumo de combustible diferencial debido al efecto de la pendiente de la vía, al poderse simular con y sin pendiente. Se realizaron múltiples simulaciones de recorridos con velocidad máxima variable con el fin de obtener un número significativo de datos. Con los resultados de las diferentes simulaciones, se realizó un estudio estadístico, para determinar las variables influyentes y se generó una función estadística (Ecuación de Consumo Estimado – ECE) que permite calcular el consumo de combustible debido a la pendiente de la vía, conociendo el consumo del vehículo en carretera llana (sin pendiente). Esta función estadística generada (ECE), se validó con datos reales medidos en tráfico real. Con el fin de darle generalidad y aplicabilidad a la función generada, y teniendo en cuenta que el consumo de combustible en carretera llana no está siempre disponible, se ha calculado el consumo de combustible sin pendiente utilizando la metodología Copert 4, metodología oficial desarrollada por la Agencia de Medio Ambiente de Europa (EEA) para la estimación de emisiones y consumo de combustible que está basada en datos experimentales pero que no tiene en cuenta la pendiente de la vía. La Ecuación de Consumo Estimado (ECE) aplicada a los consumos calculados por la metodología Copert 4, se valida también usando datos reales medidos en tráfico real y se comprueba que esta función se ajusta considerablemente bien a la realidad, con un error en el consumo acumulado frente al del ensayo real de un 1% y una correlación con el consumo instantáneo del ensayo real de 0,93. Se concluye, que la Función de Consumo Estimado (ECE), permite predecir el efecto de la pendiente sobre el consumo de combustible de un vehículo turismo en tráfico real con un error menor del 1%. Abstract This projects aims to develop a validated methodology that enables to predict cars consumption while circulating at any kind of road section based on its orographic outline and the speed-time diagram. In order to develop this methodology, a simulation model has been performed with the programme ADVISOR, that allows fuel consumption calculation for an specific route in which the orographic outline is considered. This model was validated by real data measured with an on-board equipment and it was used to calculate the differential fuel consumption caused by the effect of the slope on the road, as it was possible to simulate with or without slope. Many simulations were run with routes with variable maximum speed, aiming to obtain a significant amount of data. An statistical study was carried out with the results of those simulations with the purpose to determine the influential variables and an statistical function ( Estimated Consumption Equation – ECE) that enables fuel consumption calculation due to the road’s slope when the consumption of a vehicle on horizontal road (without any slope) is known. This statistical function (ECE) was validated by real data measured in real traffic conditions. With the purpose to generalise the function and increase its applicability, considering that the consumption of a vehicle on horizontal road is not always available, the nonslope fuel consumption has been calculated through Copert 4 methodology, which is the official methodology developed by the European Environmental Agency (EEA) for emissions and fuel consumption calculation based on experimental data, but without taking into consideration the road’s slope. The Estimated Consumption Equation (ECE) applied to the consumption calculated through Copert 4 methodology is also validated using real data measured in real traffic conditions. It was verified that this function considerably adjusts to reality, with an error on the accumulated consumption compared to the real test of 1% and a correlation with the real test immediate fuel consumption of 0,93. It is concluded that the Estimated Consumption Equation (ECE) enables to predict the effect of the slope on the fuel consumption of a car in real traffic conditions with an error less than 1%.

Unidad de separación de gases ácidos de GNL de la planta Gorgon en Barrow Island

La evolución del incremento de la demanda de gas natural tiene su origen en la depreciación del precio de la materia prima frente a otras fuentes de energía, como el carbón y los combustibles líquidos. Este hecho ha ocasionado un aumento de la inversión en las instalaciones de procesado de Gas Natural Licuado (GNL). El gas natural proveniente del yacimiento, contiene contaminantes, que han de ser extraídos para su correcta manipulación en el proceso de licuefacción del GNL. El objetivo del presente Trabajo de Fin de Grado es el de diseñar y simular la Unidad de Separación de Gases Ácidos del Proyecto Gorgon (Australia). En la actualidad se utilizan distintos tipos de aminas para eliminar el contenido de gases ácidos (CO2 y H2S) del gas natural. En particular la combinación de Metildietanolamina con otros solventes formulados, mejora la eficiencia de la captura y por ello, ha sido el proceso con mayor repercusión de la última década. Basado en la bibliografía pública del Proyecto Gorgon y las tecnologías actuales de solución de aminas, se consigue simular las condiciones reales de la unidad de separación de gases ácidos. Así mismo, facilita la identificación de los parámetros de operación del proceso, su optimización y el dimensionamiento de los equipos. El trabajo concluye con un análisis económico y un análisis de sensibilidad frente al VAN y TIR de dos parámetros fundamentales de la instalación.

Unidad de deshidratación y unidad DOMGAS. Planta de licuación Gorgon LNG

In this Project, a preliminary design of a dehydration unit for domestic gas will be outlined. This unit that is the subject of the study belongs to a project named Gorgon. Such project is currently been developed by Chevron in Barrow Island, Australia. In order to conduct a proper design of such unit, characteristics of the natural gas that is being extracted shall be detailed, as well as proper specifications of the pipeline to which the gas will supply. After this, different techniques for dehydrating the gas are evaluated; the technique that fits better this Project is absorption by glycol and following such assumption will be chosen as the best one. More accurately, the most suitable type of glycol for this particular unit is triethilene glycol, considering that it fits better the conditions of the project. Once the method is chosen, a simulation shall be undertaken with the purpose of determining the number of stages required for the correct functioning of the unit, the glycol rate and its purity. Besides, it is needed to estimate its pressure and temperature and the dimensions that would then follow. In addition, pressures and temperatures are estimated at the regeneration glycol process, together with dimensions of some units. Furthermore, it is necessary to estimate pressure and temperature at which natural gas is leaving the dehydration unit. In addition, both compression needed to secure the flux at the pipeline and the resulting pressure at the reception shall be studied. Finally, an economic study is carried out in order to conclude whether or not this specific Project is feasible.

Determinación de propiedades de inflamabilidad de mezclas para co-combustión

La recuperación de energía a partir de biomasa y residuos no reciclables por la combustión está cobrando una notable importancia actualmente. Una de las técnicas más utilizadas para esta propuesta es la co-combustión de mezclas de residuos y biomasa. Con esta nueva tecnología, mezclas de diferentes materiales han aparecido en las instalaciones industriales y tienen que ser reconocidas como nuevos combustibles, debido a que a sus propiedades son aún desconocidas. Estas propiedades incluyen las energéticas, que son el objetivo del proceso de mezcla, y también las propiedades de inflamabilidad. Residuos y biomasa en forma de polvos tienen propiedades de ignición que se han de tener en cuenta a la hora de diseñar las medidas de prevención y protección en una instalación industrial. El objetivo principal de este estudio es determinar el riesgo de ignición de las mezclas de residuos / biomasa en capas y cómo, mediante la adición de diferentes cantidades de estos materiales, este riesgo puede cambiar. Para desarrollar este estudio, se utiliza la temperatura mínima de ignición en la capa. Tres muestras diferentes han sido analizadas, lodos con secado térmico de depuradora, paja de trigo y virutas de madera, Abstract Energy recovery from biomass and non-recyclable waste products by combustion has become important. One of the most used techniques for this proposal is the co-firing of waste and biomass mixtures, With this new technology, mixtures of different materials have appeared in the industrial facilities and they have to be treated as new fuels because their properties are unknown. Among this properties we include energetic properties that are the objective of the mixing process, and also the ignitability properties. Waste and biomass dusts have ignition properties that have to be taken into account in the design but also in the, prevention and protection process of an industrial facility.. The main objective of this research is to determine the risk of ignition of waste / biomass mixtures layers and how, by adding different quantities of these materials, this risk may vary. To develop this, the minimum ignition temperature on layer is used. Three different samples have been analysed, thermally dried sewage sludge, wheat straw and wood chips.

Planta de separación en plataforma Offshore

El proyecto aborda el diseño de un tren de separación de la plataforma petrolífera Njord, en el Mar del Norte. A partir del producto saliente del pozo se obtiene una corriente de crudo con características que hacen posible su venta en el mercado. Para conseguir este objetivo es necesario el diseño de un proceso que separe las tres distintas fases presentes en el fluido del pozo. Este proceso utiliza equipos como separadores, intercambiadores de calor, compresores y turbinas. Para completar el estudio del proceso se realiza un estudio energético, que incluye el sistema que proporciona energía al sistema. Abstract This project tackles the design of a crude separation unit in Njord offshore oil platform in the North Sea. The process obtains a crude oil stream that fulfils the specifications that makes it suitable to be sold in the market from the fluid that is obtained from the well. To achieve this objective it is necessary to make the design of a separation unit that divides the three different phases of the reservoir fluid. The separation unit will include the design and specification of equipment such as vessels, heat exchangers, compressors and turbines. The project also includes an energetic study, which includes de design of system that provides energy to the process.

Planta de licuación de 1 MTPA LNG Prico en Texas, EEUU

En este proyecto se ha realizado el dimensionamiento de los equipos básicos de una planta de licuación de gas natural cuya localización es Texas, EEUU. La capacidad de la planta es de 1 MTPA y funciona mediante un proceso de licuefacción de licencia Prico. Su objetivo fundamental es servir de apoyo en las puntas de consumo de gas natural (el cual varía considerablemente según la época del año) mediante reinyección del producto en los gaseoductos en los momentos de mayor demanda o incluso mediante su transporte en camiones cisterna. El proyecto ha comprendido el análisis del proceso Prico con su diagrama de flujo, el dimensionamiento de los intercambiadores de calor (carcasa y tubos y plate-fin), selección de los equipos rotativos, simulación del proceso y dimensionamiento de tuberías, así como un pequeño estudio económico. Abstract In this project, sizing of main equipment of a natural gas liquefaction plant has been developed. The plant is located in Texas, EEUU. Plant capacity is 1 MTPA and is designed to produce LNG by using a Prico liquefaction process. The main objective of the designed plant is to support the peaks of consumption of natural gas (which varies considerably along the year) by liquefying, storing and reinjecting the natural gas in the pipelines or even using tanker trucks to take LNG to consumers. The project includes the analysis of the Prico process flow diagram, sizing of the heat exchangers (shell & tube and plate-fin), selection of rotatory equipment, process simulation and pipe sizing, and a viability analysis.

Simulación del Tren de Licuación del Proyecto Gorgon LNG

El proyecto abarca el estudio, análisis y dimensionamiento del tren de Licuación Gas Natural del proyecto Gorgon LNG basado en la tecnología AP/C3MR de Air Products. Este estudio cubre toda la evolución del gas natural dentro del tren de licuación, antes de ser enviado a los tanques de almacenamiento, apoyándose en procesos de simulación informática. Como parte de este proyecto, se realiza una propuesta de todos los equipos (intercambiadores de calor, turbinas de gas, compresores, etc.) necesarios para la consecución del proceso teniendo como base los datos resultantes del proceso de simulación llevado a cabo. Una vez realizada tanto la simulación del proceso como la propuesta de equipos, se hace una valoración económica del proyecto que confirme la viabilidad de este tipo de tecnología, enmarcándola en el mercado de combustibles actual.

Diseño de separadores mediante aplicación informática = Computer Application for Sepators Design

Programa informático desarrollado en plataforma EXCEL (VBA) y dirigido al diseño de Separadores de dos y tres fases, verticales y horizontales. El programa de ordenador o aplicación tiene la capacidad de determinar las propiedades físicas del fluido, utilizando diferentes correlaciones sobre la base del “Black Oil Model”, con dichas propiedades el Programa predice el tipo de flujo presente. Si el tipo de flujo es “Slug Flow” el programa determinara las dimensiones del “Slug catcher” necesario. Bajo las condiciones de funcionamiento existentes el programa diseñará el separador elegido: dos o tres fases, vertical u horizontal. Por último, la aplicación informática estimará el coste del equipo. Abstract Computer program developed in EXCEL (VBA) platform and aimed for the design of Two-Phase, Three-Phase, Vertical or Horizontal Separators. The computer Program or Application has the capability to determine the fluid physical properties utilizing different correlations on the basis of the Black Oil Model, with those Properties the Program will predict the Flow Regime present. If the flow regime is Slug Flow the program will determine the necessary slug catcher dimensions. Under certain operational conditions the program will design the selected: Two-Phase or Three-Phase, Vertical or Horizontal Separator. Finally the computer Application will estimate the cost of the equipment.

Diseño de una hoja Excel para un tanque de almacenamiento de gasóleo de automoción

El presente proyecto, consiste en el diseño básico de una hoja Excel para un tanque de almacenamiento de gasóleo de automoción (gasóleo A). El presente tanque se ha situado en el parque de almacenamiento de Loeches (Comunidad de Madrid). Se han realizado los cálculos necesarios para el diseño de todas las partes de dicho tanque, la envolvente, el fondo de tanque y el techo. Al igual que el cálculo de peso de éste, y un listado de accesorios adicionales necesarios para su puesta en marcha. Se ha desarrollado la programación en Excel, de una ficha para calcular los parámetros principales del tanque diseñado. Se ha llevado a cabo el diseño y fabricación de un tanque de acero, vertical, cilíndrico, de fondo plano, no enterrado, soldados, para el almacenamiento de líquidos a temperatura ambiente. La capacidad del tanque es de un volumen nominal de 25.000 m3 y una altura de 20 metros, se almacenará gasóleo de automoción, con una densidad de 835 kg/m3. Este tipo de gasóleo es el producto derivado del petróleo más consumido en España.This project consists of the basic design of an Excel spreadsheet to a storage tank of diesel fuel (oil A). This tank is located in the storage yard Loeches (Madrid). It have been made the necessary calculations for the design of all parts of the tank, the envelope, the tank bottom and roof. As the weight calculation thereof, and a list of additional accessories required for its implementation and location. It has been developed programming Excel, a record key parameters to calculate tank designed. It has been carried out the design and manufacture of a steel tank, vertical, cylindrical, flat bottom, not buried, soldiers, for storing liquids at room temperature. The tank capacity is of a nominal capacity of 25,000 m3 and a height of 20 meters, diesel fuel is stored, with a density of 835 kg/m3. This type of oil is the oil product most consumed in Spain.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Gestión de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero como parte de la Estrategia de Sostenibilidad de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Montes, Forestal y del Medio Natural

Las consecuencias ambientales, sociales y económicas que conlleva el cambio climático, enfatizan la creciente preocupación por desarrollar estrategias, medidas y acciones de prevención, adaptación y mitigación del mismo. La aplicación de buenas prácticas integradas en el modelo de gestión de las organizaciones bajo los criterios de responsabilidad social y sostenibilidad permite: tener un mayor control de riesgos, identificar nuevas oportunidades, mejorar relaciones con los grupos de interés, la reputación corporativa y el rendimiento económico. Desde el Equipo Directivo de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Montes, Forestal y del Medio Natural (E.T.S.I.M.F.M.N.) se traza el proyecto Responsables Sostenibles Universitarios que trabaja en los ámbitos de la responsabilidad social universitaria y el desarrollo sostenible. En este sentido, se ha promovido la elaboración de este Proyecto Fin de Carrera (PFC) con el que se han logrado sus objetivos principales: 1. La cuantificación de la Huella de Carbono (HC) de 2013 de la E.T.S.I.M.F.M.N. con la aplicación de la Norma ISO 14064 y el Informe Técnico 14069, así como el análisis de la evolución de este indicador en el periodo 2011-2013. 2. Un plan para la gestión de las emisiones de GEI (GEGEI) que se puede integrar en la estrategia de sostenibilidad de la E.T.S.I.M.F.M.N. El plan de GEGEI proporciona un método para que la Escuela aborde de manera sistemática asuntos relevantes en temas sociales, ambientales y económicos relacionados con los GEI. En consecuencia, y como resultado de este PFC, se han alcanzado los siguientes objetivos generales: 1) identificar y analizar el riesgo asociado a los GEI de la Escuela; 2) realizar una evaluación de oportunidades, identificando las actuaciones que optimizan los recursos existentes, generan ahorros económicos, evitan emisiones de GEI y crean valor en el ámbito de la mejora de la identidad, imagen y reputación corporativa; 3) analizar el modelo organizacional de la Escuela y proponer los objetivos, las directrices, los procedimientos, las responsabilidades y los roles en la GEGEI del centro universitario y 4) elaborar la denominada matriz de GEGEI, con identificación de las áreas de mejora continua de procesos, las secciones de la Escuela que se ocupan de dichas áreas y las actuaciones específicas encaminadas a alcanzar los objetivos propuestos en el plan de GEGEI.