Design and optimization of a floating power hub to energize oil production units aiming to reduce CO2 emissions : Dimensionamento e otimização de ilha de potência para suprimento de eletricidade de unidades de produção de petróleo visando a redução de emissões de CO2

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Vidoza Guillen, Jorge Alejandro, 1988-
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1636767
Resumo: Orientador: Waldyr Luiz Ribeiro Gallo
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spelling Design and optimization of a floating power hub to energize oil production units aiming to reduce CO2 emissions : Dimensionamento e otimização de ilha de potência para suprimento de eletricidade de unidades de produção de petróleo visando a redução de emissões de CO2Dimensionamento e otimização de ilha de potência para suprimento de eletricidade de unidades de produção de petróleo visando a redução de emissões de CO2Geração de energiaIndústria petrolíferaEficiência energéticaEnergy generationOil industryEnergy efficiencyOrientador: Waldyr Luiz Ribeiro GalloTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Este trabalho de doutorado foi inspirado nas tendências atuais do setor de exploração de petróleo de gás em diminuir o impacto ambiental nas atividades de exploração e produção. Empresas deste ramo tem investido em pesquisas para diminuir a emissão de gases de efeito estufa. Neste sentido, esta tese propõe uma configuração inovadora de suprimento de energia para unidades de extração de petróleo offshore. Uma plataforma flutuante dedicada à geração de energia substitui às turbinas individuais em pelo menos três plataformas convencionais de produção de petróleo. Para desenhar e otimizar essa "ilha de potência" foi necessário simular blocos de ciclos combinados, conformados por turbinas a gás, turbinas a vapor, caldeiras de recuperação de calor, condensadores e bombas, principalmente. Cada equipamento foi projetado e integrado a uma otimização de algoritmos genéticos. Foram analisados diversos casos: Caldeiras de um e dois níveis de pressão; turbinas a gás convencionais e customizadas, e configurações isoladas da ilha de potência e conexão com a rede em terra. Igualmente, foram realizadas otimizações de objetivo simples e multi-objetivo para entender as diferenças e benefícios de cada solução, otimizando em primeiro lugar objetivos simples como eficiência em plena carga, peso e custo. Para depois realizar uma otimização considerando as variações de carga ao longo do tempo de vida do campo petrolífero, utilizado simulações fora de condições de projeto do ciclo combinado, estabelecendo os objetivos de eficiência média, relação peso/potência e valor presente líquido. Os resultados apontam que a aplicação de uma ilha de potência teria uma potencial diminuição de emissões de CO2 na ordem de 13,1 e 23,4% com respeito ao cenário base. Em detrimento do desempenho econômico, precisando de uma taxa de carbono de 61 a 122 USD por tonelada para ser economicamente viável. A opção de enviar energia à terra possui ganhos econômicos, resultando em valores presentes líquidos maiores a zero, porém com incremento das emissões em até 68%Abstract: This PhD thesis was inspired by the current trends of oil and gas industry in reducing the environmental impact on its exploration and production activities. Companies in this field have invested in research to reduce the emission of greenhouse gases. In this sense, this thesis proposes an innovative configuration of energy supply for offshore oil extraction units. A floating platform dedicated to power generation replaces individual turbines on, at least, three conventional oil production platforms. To design and optimize this "power island" or "power hub" it was necessary to simulate combined cycle blocks, composed by gas turbines, steam turbines, heat recovery steam generators, condensers and pumps, mainly. Each equipment was designed and integrated within a genetic algorithm optimization. Several scenarios were analyzed, the scenarios considered: one and two pressure level heat recovery units, conventional and customized gas turbines, and two connection configurations, isolated grid a connection to shore. Likewise, simple and multi-objective optimizations were performed to understand the differences and benefits of each solution, optimizing at first objectives at full load, namely: weight, costs and efficiency. After analyzing combined cycle design points, simulations of the combined cycle off-design performance were elaborated, in order to perform optimizations considering the load variations over the oilfield lifetime, establishing objectives of: average efficiency, weight-to-power ratio and net present value. The results indicate that the application of a power island would have a potential decrease of CO2 emissions in the order of 13.1% and 23.4% with respect to the base scenario, with penalties in economic performance. A carbon trading market, with carbon certificate prices around 61 to 122 USD/ton could make this type of offshore grid more viable, when considering most optimistic layouts regarding efficiency and economic performance. The option of exporting electricity to land has economic gains, resulting in net present values higher than zero, but with an increase in emissions of up to 68%DoutoradoTérmica e FluídosDoutor em Engenharia MecânicaCAPES[s.n.]Gallo, Waldyr Luiz Ribeiro, 1954-Oliveira Junior, Silvio deWalter, Arnaldo César da SilvaBalestieri, Jose Antonio PerrellaBizzo, Waldir AntônioUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASVidoza Guillen, Jorge Alejandro, 1988-20192019-02-27T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (155 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1636767VIDOZA GUILLEN, Jorge Alejandro. Design and optimization of a floating power hub to energize oil production units aiming to reduce CO2 emissions: Dimensionamento e otimização de ilha de potência para suprimento de eletricidade de unidades de produção de petróleo visando a redução de emissões de CO2 . 2019. 1 recurso online (155 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1636767. 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