UNIVERSIDAD SAN FRANCISCO DE QUITO Colegio de Ciencias e Ingeniería Assessment of efficient energy use of power generation systems in the oil industry. A case study: The GE LM2500 turbine, Repsol Ecuador Clara Elena Orellana Rojas Jesús Portilla, Ph.D., Director de Tesis Tesis de grado presentada como requisito para la obtención del título de Ingeniero Mecánico Quito, diciembre de 2014 Universidad San Francisco de Quito Colegio de Ciencias e Ingeniería HOJA DE APROBACIÓN DE TESIS Assessment of efficient energy use of power generation systems in the oil industry. A case study: The GE LM2500 turbine, Repsol Ecuador Clara Elena Orellana Rojas Jesús Portilla, Ph.D., ..... ........................... Director de Tesis Edgar Delgado, Ing., .............................. Miembro del Comité de Tesis Luis Narvaez, Ing., ............................... Miembro del Comité de Tesis Alfredo Valarezo,Ph.D., .............................. Coordinador Ingeniería Mecánica Ximena Córdova, Ph.D., .............................. Decana de la Escuela de Ingeniería Colegio de Ciencias e Ingeniería Quito, diciembre de 2014 DERECHOS DE AUTOR © Por medio del presente documento certifico que he leído la Política de Propiedad Inte- lectual de la Universidad San Francisco de Quito y estoy de acuerdo con su contenido, por lo que los derechos de propiedad intelectual del presente trabajo de investigación quedan sujetos a lo dispuesto en la Política. Asimismo, autorizo a la USFQ para que realice la digitalización y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual, de conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior. Firma: ——————————————————- Nombre: Clara Elena Orellana Rojas C. I.: 172259190-4 Fecha: 17 de diciembre del 2014 5 AGRADECIMIENTOS La gratitud eleva nuestra mirada, nos quita los ojos de las cosas que nos faltan para que podamos ver las bendiciones que poseemos. MaxLucado A mi amoroso buen Padre DIOS por alentar mi espíritu diariamente con su Palabra y por haber forjado mi carácter para soportar las vicisitudes del camino. A Carlos y Clarita por ser un ejemplo de perseverancia. Les agradezco por su amor, preocupación y apoyo brindado tanto en la prosperidad como en la dificultad. A Darío por su apoyo, su amor y toda su entrega desinteresada durante estos tres años que hemos compartido juntos. A Danilo un amigo verdadero que siempre confió en mi y me supo brindar su apoyo en toda adversidad que he enfrentado en mi vida. A Jeison y Andrés colegas cuyo amplio conocimiento de ingeniería me sirvió como referente para mejorar mis capacidades y sentirme segura de expresarlas. A Jesús quien me brindo la apertura para desarrollar mi proyecto de tesis y darme las directrices para tener éxito en el proceso. AEdgaryLuisquienesmesupieronguiaryrespondermispreguntasentodomomento. 6 DEDICATORIA Porque de él, y por él, y para él, son todas las cosas. A él sea la gloria por los siglos. Amén Romanos 11:36 A DIOS quien me ha impulsado a alcanzar mis logros, y ha sacado lo mejor de mi permitiéndome observar en el difuso panorama una luz que me ha conducido al éxito y la autorrealización, a mi madre que me ha brindado su amor y atención en todo momento de mi vida, a mi tío Carlos que ha sabido ver en mi un gran potencial de superación y fortaleza, a Darío que ha sido siempre mi apoyo y compañía, a mis amigos, colegas y profesores que han sido mi ayuda y me han abierto las puertas de su confianza para desarrollarme como persona y como profesional. 7 Resumen En el siguiente trabajo se presenta un estudio de la turbina de generación eléctrica serie GE LM2500 de 20MW de capacidad nominal, la misma que se encuentra ubicada en el campo de producción petrolera NPF operado por Repsol. Se busca relacionar las variables termodinámicas del ciclo de la turbina con la eficiencia de la misma. La industria petrolera requiere una gran cantidad de energía para extraer, procesar y transportar los recursos petroleros. Las redes eléctricas cercanas a los campos petroleros son débiles o inexistentes, por lo tanto, es imperativo para las empresas de extracción de petróleo generar su propia energía. Además, los campos de petróleo están generalmente ubicados en lugares apartados y ambientalmente sensibles, por lo que temas como la contaminación por la quema de combustibles, las emisiones de gases de efecto invernadero y los costos de transporte de combustible, deben ser considerados. Como respuesta a esta problemática, existe gran énfasis en el desarrollo de políticas que promuevan sistemas de gestión de la eficiencia energética, concluyendo que implementar uno de estos sistemas en una industria asegura el mejoramiento de los recursos energéticos disponibles, trayendo beneficios económicos y medio ambientales. Este trabajo detalla el análisis estadístico de los datos de la turbina GE LM2500 ob- tenidos durante 39 meses en el campo petrolero NPF. Sin embargo, no se contó con las variables necesarias para realizar un análisis total del ciclo de la turbina. Por lo tanto, la metodología se adaptó a la disponibilidad de los datos definiendo una técnica de rela- ciones empíricas entre variables utilizando gráficos estadísticos. El objetivo fue identificar patrones y determinar la influencia de las variables en el desempeño de la turbina para posteriormente buscar estrategias que mejoren su eficiencia tomando en cuenta las prác- ticas de operación en el campo petrolero. Luego del análisis correspondiente se puede concluir que en general, los valores de eficiencia son aceptables, los mismos se encuentran cercanos a los valores nominales. La relación entre la eficiencia y la potencia muestra una fuerte dependencia, esto quiere decir que si las condiciones de operación son a alta carga, la eficiencia se incrementará. Se determinó además que se pueden obtener valores altos de eficiencia utilizando poco flujo de combustible y esto probablemente se asocia con una buena calidad de la combustión. Así también, al realizar el análisis de eficiencia de la Se- gunda ley se pudo observar que en el segundo semestre del 2012 existe un cambio favorable en el desempeño de la turbina, este pudo ser ocasionado por un buen mantenimiento, un cambio en la calidad del combustible o un cambio en la operación de la misma. 8 Abstract This work presents the assessment of the power generation turbine series GE LM2500, rated at 20MW, particularly looking at the relation between its efficiency and thermo- dynamic variables. The study case is a turbine commissioned at the North Production Facility (NPF) in Bloque 16, Orellana province of Ecuador, and operated by Repsol. The oil industry requires significant amounts of energy to extract, process and trans- port oil resources. Electrical grids nearby oilfields are weak or inexistent, therefore it is imperative for oil extraction companies to generate their own power. In addition, oilfields are usually located in remote or environmentally sensible places, so issues such as fuel burning contamination, greenhouse gas emissions, and fuel transportation, costs inevit- ably come out. As a response, large emphasis exists on developing policies that promote energy efficiency management system (EnMS). Implementing an EnMS policy ensures a better usage of global energy resources, improvement in efficiency, and economical and ecological benefits. This work details the statistical analysis of data, for the GE LM2500 turbine, collected in the oilfield (North Production Facility) for 39 months. Since not all the values required for a complete thermodynamic analysis were available, a different methodology based on statistical plots was used to empirically relate the variables with the available data. The main objective was to identify patterns and determine the influence of the different thermodynamic variables in the turbine performance. Later on, strategies that enhance the turbine efficiency based on working conditions were proposed. The main conclusion of this analysis was that the machine efficiency is higher when it is working close to the its nominal rating. The analysis showed that the efficiency and power output have a strong linear dependence. This means that if the operating conditions are with high load, the efficiency will increase accordingly. It was further determined that high values of efficiency can be obtained using low fuel mass flow, and this is probably associated with an optimal combustion condition. Last but not least, it was observed in the Second-law analysis that there was a favourable enhancement of the turbine performance during the second half of 2012. The reasons for this different behaviour of the turbine performance may be maintenance, different fuel quality or a component replacement in the turbine. 9 Contents Contents 9 List of Figures 10 List of Tables 11 1 Introduction 13 1.1 Power generation systems in the oil industry . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2 Repsol facilities and location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3 The ISO 50001 standard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4 Relevance and aims of this study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2 Theoretical framework 20 2.1 The Brayton cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Turbine GE LM2500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 Methods 26 3.1 Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 Brayton cycle calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Quality control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4 Bi-variate plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5 Relationship between variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4 Results 31 5 Summary and Conclusions 51 6 Recommendations 53 Bibliography 54 Appendix A 56 Appendix B 57 Appendix C 60 Appendix D 61 10 List of Figures 1 Bloque 16 location (Repsol, 2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Bloque 16 power production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Bloque 16 energy consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 Installed capacity per machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5 Schematic of the closed cycle gas turbine engine . . . . . . . . . . . . . . . 21 6 Layout of a generator set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7 Temperature-Entropy (T-s) diagram of an ideal Brayton cycle . . . . . . . 22 8 GE LM 2500 Turbine scheme (GE Energy, 2014) . . . . . . . . . . . . . . 25 9 GE LM 2500 Generator Set (GE Aviation, 2014) . . . . . . . . . . . . . . . 25 10 Temperature-Entropy (T-s) diagram with the variables needed for calcula- tions of the Brayton cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 11 Relation between Output Power and First-law efficiency . . . . . . . . . . 32 12 Relation between Output Power and Second-law efficiency . . . . . . . . . 33 13 Production cost working at different loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 14 Relation between Heat Input and Output Power . . . . . . . . . . . . . . 36 15 Relation between Fuel Mass Flow and Output Power . . . . . . . . . . . . 37 16 Initial fuel mass flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 17 Linear regression to identify two trends in the data . . . . . . . . . . . . . 39 18 Linear regression to identify two trends in the data . . . . . . . . . . . . . 40 19 Time series for the First-law efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 20 Time series for the T : Inlet Turbine Temperature . . . . . . . . . . . . . . 41 3 21 Relation between Inlet Compressor Temperature and Efficiency . . . . . . 42 22 Relation between Inlet Turbine Temperature and Efficiency . . . . . . . . 43 23 Relation between Fuel Mass Flow and Efficiency and possible cases of op- eration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 24 Time series of efficiency marking the cases when the mass flow is low and the efficiency is high . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 25 Time series of the Inlet Compressor Temperature marking the cases when the mass flow is low and the efficiency is high . . . . . . . . . . . . . . . . 46 26 Time series of the Inlet Turbine Temperature marking the cases when the mass flow is low and the efficiency is high . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 27 Relation between Outlet Compressor Pressure and Power Output . . . . . 47 28 Relation between Outlet Compressor Pressure and Efficiency . . . . . . . . 48 29 Relation between Power, Efficiency and Fuel Mass Flow . . . . . . . . . . 49 30 ISO Indicator BDPD/MWD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 31 SGS Oil, Water&Chemicals. Report of Diesel produced in Repsol . . . . . 56 32 Relation between Inlet Compressor Temperature and Output Power . . . 57 33 Relation between Inlet Turbine Temperature and Inlet Compressor Tem- perature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 34 Relation between Outlet Compressor Pressure and Inlet Compressor Tem- perature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 35 Repsol indicator of Fuel Consumption vs. Output Power . . . . . . . . . . 61