PROPUESTA DE IMPLEMENTACIÓN DE DOS TURBINAS CON...

FACULTAD DE INGENIERÍA

Carrera de Ingeniería Industrial y Comercial

PROPUESTA DE IMPLEMENTACIÓN DE DOS TURBINAS CON GENERADORES ELÉCTRICOS PARA OPTIMIZAR COSTOS DE ENERGÍA EN LA REFINERÍA

LA PAMPILLA

Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Industrial y

Comercial

ANGGIE JESHIMAR GARCÍA CONDORI

FIORELLA JHASMINEE VILLAMONTE RAMOS

Asesor:

Mag. Darío Flores Marín

Lima - Perú

2018

2

JURADO DE LA SUSTENTACIÓN ORAL

……………….………………………………………

Presidente

……………….………………………………………

Jurado 1

……………….………………………………………

Jurado 2

_______________________________________________

Entregado el: 16/07/2018

……………………………………. …………………………………….

Graduando 1 Graduando 2

Aprobado por:

…………………………………….

Asesor de Tesis

3

DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD

Yo, Anggie Jeshimar García Condori identificado/a con DNI Nº 72704885 Bachiller del

Programa Académico de la Carrera de Ingeniería Industrial y Comercial de la Facultad

de Ingeniería de la Universidad San Ignacio de Loyola, presento mi tesis titulada:

“Propuesta de Implementación de dos turbinas con generadores

eléctricos para Optimizar Costos de Energía en la Refinería la Pampilla”

Declaro en honor a la verdad, que el trabajo de tesis es de mi autoría; que los

datos, los resultados y su análisis e interpretación, constituyen mi aporte. Todas las

referencias han sido debidamente consultadas y reconocidas en la investigación.

En tal sentido, asumo la responsabilidad que corresponda ante cualquier

falsedad u ocultamiento de la información aportada. Por todas las afirmaciones, ratifico

lo expresado, a través de mi firma correspondiente.

Lima, 16 de Julio del 2018.

…………………………..…………………………..

Anggie Jeshimar García Condori

DNI N° 72704885

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DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD

Yo, Fiorella Jhasminee Villamonte Ramos, identificado/a con DNI Nº 71319207

Bachiller del Programa Académico de la Carrera de Ingeniería Industrial y Comercial de

la Facultad de Ingeniería de la Universidad San Ignacio de Loyola, presento mi tesis

titulada:

“Propuesta de Implementación de dos turbinas con generadores

eléctricos para Optimizar Costos de Energía en la Refinería la Pampilla”

Declaro en honor a la verdad, que el trabajo de tesis es de mi autoría; que los

datos, los resultados y su análisis e interpretación, constituyen mi aporte. Todas las

referencias han sido debidamente consultadas y reconocidas en la investigación.

En tal sentido, asumo la responsabilidad que corresponda ante cualquier

falsedad u ocultamiento de la información aportada. Por todas las afirmaciones, ratifico

lo expresado, a través de mi firma correspondiente.

Lima, 16 de Julio del 2018.

…………………………..…………………………..

Fiorella Jhasminee Villamonte Ramos

DNI N° 71319207

5

EPÍGRAFE

“Tu interior es a quién debes

explorar para crear una realidad

alterna y saber que hay más allá de

este planeta. No importa cuán difícil

ha sido el pasado y lo incierto que

puede ser el futuro, es ahora o

nunca. El cambio está en nosotros.

Conócete, conoce tu interior”.

Anggie J. García C.

6

DEDICATORIA

La presente tesis va dedicada para

aquellas personas con ansias de

querer saber que hay más allá de lo

que nos rodea. Que todo lo que

tenemos no es lo suficiente para

seguir creando e investigando. El

mundo solo esta para seguir

explorándolo y conquistarlo a

nuestra manera.

7

AGRADECIMIENTO

Sin duda no hay mejor momento que

ver el fruto del esfuerzo de uno

mismo y el apoyo incondicional que

recibiste para alcanzar tus objetivos

y sueños. Es por ello, que se

agradece de todo corazón aquellas

personas que nos ayudaron con esta

investigación y que formaron parte

de una u otra manera de esta tesis.

A nuestros padres por su paciencia,

compresión y dedicación al

atendernos en nuestras amanecidas

y sobre todo a Dios, por iluminarnos

con su sabiduría y entendimiento.

.

8

ÍNDICE DE CONTENIDOS

ÍNDICE DE TABLAS ..............................................................................................................10

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................11

ÍNDICE DE ANEXOS .............................................................................................................13

RESUMEN................................................................................................................................14

ABSTRACT ..............................................................................................................................15

INTRODUCCIÓN....................................................................................................................16

PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN .....................................................................................18

Identificación del problema ........................................................................................18

Formulación del problema ..........................................................................................29

Problema General ........................................................................................................29

Problema Específicos ...................................................................................................29

MARCO REFERENCIAL ......................................................................................................29

Antecedentes ................................................................................................................29

Antecedentes Nacionales.................................................................................29

Antecedentes Internacionales .........................................................................30

Estado del arte .............................................................................................................32

Marco teórico ...............................................................................................................40

Energía .............................................................................................................40

Principio de Conservación de Energía ..........................................................41

Conceptos Básicos de la Termodinámica ......................................................43

Primera Ley de Termodinámica ....................................................................44

Balance de Energía .........................................................................................44

Segunda Ley de Termodinámica ...................................................................46

Energía Mecánica ...........................................................................................49

Energía Térmica .............................................................................................50

Energía Eléctrica.............................................................................................50

Generación de Energía Eléctrica ...................................................................51

Ciclo de Potencia de Gas ................................................................................53

Ciclo de Potencia de Vapor y Combinados ...................................................54

Procesos de Cambio de Fase...........................................................................56

Diagrama de Mollier .......................................................................................60

OBJETIVO ...............................................................................................................................60

Objetivo general ..........................................................................................................60

Objetivos específicos ....................................................................................................60

9

JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................................61

Teórica ..........................................................................................................................62

Práctica .........................................................................................................................62

Social ............................................................................................................................62

Económica ....................................................................................................................62

HIPÓTESIS ..............................................................................................................................67

Hipótesis general ..........................................................................................................67

Hipótesis específicas ....................................................................................................67

MATRIZ DE CONSISTENCIA ..............................................................................................68

MARCO METODOLÓGICO .................................................................................................69

Metodología ..................................................................................................................69

Paradigma ....................................................................................................................69

Enfoque ........................................................................................................................69

Método ..........................................................................................................................69

VARIABLES ............................................................................................................................70

Independiente...............................................................................................................70

Dependiente ..................................................................................................................70

POBLACIÓN Y MUESTRA ...................................................................................................70

Población ......................................................................................................................70

Muestra ........................................................................................................................70

UNIDAD DE ANÁLISIS .........................................................................................................71

INSTRUMENTOS Y TÉCNICAS ..........................................................................................76

Instrumentos ................................................................................................................76

Técnicas ........................................................................................................................89

PROCEDIMIENTOS Y MÉTODOS DE ANÁLISIS ............................................................90

Método de Análisis ......................................................................................................90

Procedimiento ..............................................................................................................93

Datos y Cálculos Numéricos – 1er Procedimiento .....................................................93

Modelación y Simulación del primer procedimiento – 2do Procedimiento ...........100

Costos de implementación – 3er Procedimiento ......................................................112

RESULTADOS.......................................................................................................................114

CONCLUSIONES ..................................................................................................................121

RECOMENDACIONES ........................................................................................................122

SUGERENCIAS .....................................................................................................................123

10

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Balance de Energía Eléctrica por Transformadores y Turnos – Mes de enero del 201723

Tabla 2. Balance de Energía por Turnos en Mw y MVAR – Mes de enero del 2017 ...................26

Tabla 3. Consumo Total de Energía Eléctrica en MW y MVAr por Día - Mes de enero del 2017 27

Tabla 4. Consumo Total de Energía Eléctrica por Mes - Mes de enero del 2017 ........................27

Tabla 5. Tarifario de Enel en Consumo Eléctrico ........................................................................28

Tabla 6. Cálculo del Gasto Excesivo en Energía Eléctrica - Mes de enero del 2017 ....................28

Tabla 7. Cálculo del MVA – Mes de enero del 2017 ...................................................................64

Tabla 8. Punto máx., Prom. y mín. del Consumo de Energía – Mes de enero del 201................64

Tabla 9. Turbina de Vapor de 3MW ..........................................................................................66

Tabla 10. Descripción de Equipos a Utilizar ................................................................................71

Tabla 11. Panel Blocks a utilizar para la Modelación en Arena...................................................86

Tabla 12. Panel Elements a utilizar para la Modelación en Arena ..............................................86

Tabla 13. Elementos de Simulación de Eventos Discretos ..........................................................89

Tabla 14. Identificación de Cambios de Fase en el Proceso 1.....................................................92

Tabla 15. Identificación de Cambios de Fase en el Proceso 2.....................................................92

Tabla 16. Costo de Personal para la Propuesta de Implementación ........................................112

Tabla 17. Costo de Materiales y Equipos para la Propuesta de Implementación .....................112

Tabla 18. Costo Total de Propuesta de Implementación ..........................................................113

Tabla 19. Costo Total por Mes de la Propuesta de Implementación ........................................113

Tabla 20. Tiempo de Implementación de Propuesta de Tesis ..................................................119

Tabla 21. Proyección de Gastos por Mes .................................................................................120

Tabla 22. Proyección de Ahorro en 7 meses, 1 año y 5 años ....................................................120

11

ÍNDICE DE FIGURAS

Ilustración 1. Ubicación de la Refinería la Pampilla - Callao .......................................................18

Ilustración 2. Ubicación del Bloque I & Bloque II – Refinería la Pampilla ...................................19

Ilustración 3. Principio de Conservación de Energía – Ejemplo 1 ...............................................41

Ilustración 4. Principio de Conservación de Energía – Ejemplo 2 ...............................................42

Ilustración 5. Conceptos Básicos – Ejemplo de temperatura .....................................................43

Ilustración 6. Balance de Energía – Ejemplo de flujo másico ......................................................46

Ilustración 7. Principio 1 de Carnot ............................................................................................48

Ilustración 8. Principio 2 de Carnot ............................................................................................48

Ilustración 9. Prueba del Principio de Carnot .............................................................................49

Ilustración 10. Distribución de Energía Eléctrica ........................................................................51

Ilustración 11. Ciclo Rankine – Ejemplo con Equipos .................................................................55

Ilustración 12. Ciclo Rankine – Ejemplo con Diagrama ...............................................................55

Ilustración 13. Cambio de Fase a Líquido Comprimido ..............................................................57

Ilustración 14. Cambio de Fase a Líquido Saturado ....................................................................57

Ilustración 15. Cambio de Fase a Vapor Saturado ......................................................................58

Ilustración 16. Mezcla Saturada de Líquido - Vapor ...................................................................59

Ilustración 17. Cambio de Fase a Vapor Saturado ......................................................................59

Ilustración 18. Representación gráfica de MVA .........................................................................63

Ilustración 19. Punto Máximo & Mínimo del Consumo Eléctrico en MVA .................................65

Ilustración 20. Ubicación de la Unidad 53 de la Refinería La Pampilla .......................................71

Ilustración 21. Caldera de Recuperación de Calor del Incinerador 53B-201...............................72

Ilustración 22. Generador de Vapor 53E-201 .............................................................................73

Ilustración 23. Generador de Vapor 53E-207 .............................................................................74

Ilustración 24. Diagrama de Termodinámica para Proceso 1 .....................................................75

Ilustración 25. Diagrama de Termodinámica para Proceso 2 .....................................................75

Ilustración 26. Panorama Principal del Programa Arena ............................................................78

Ilustración 27. Partes del Panorama Principal del Programa Arena ...........................................79

Ilustración 28. Project Bar del Software Arena...........................................................................80

Ilustración 29. Panel Advanced Transfer ....................................................................................81

Ilustración 30. Panel Advanced Process .....................................................................................81

Ilustración 31. Panel Basic Process .............................................................................................82

Ilustración 32. Panel Flow Process .............................................................................................82

Ilustración 33. Panel Packaging ..................................................................................................82

Ilustración 34. Panel Contact Data .............................................................................................83

Ilustración 35. Panel Script .........................................................................................................83

Ilustración 36. Panel Blocks ........................................................................................................83

Ilustración 37. Panel Elements ...................................................................................................84

Ilustración 38. Panel Reports......................................................................................................84

Ilustración 39. Panel Navigate ....................................................................................................84

Ilustración 40. Diagrama de Flujo del Programa Arena ..............................................................85

Ilustración 41. Diagrama de Mollier ...........................................................................................90

Ilustración 42. Diagrama de Mollier para el Proceso 1 ...............................................................94

Ilustración 43. Diagrama de Mollier para el Proceso 2 ...............................................................96

Ilustración 44. DCL de Entrada-Salida de Turbina para Proceso 1 ..............................................97

Ilustración 45. DCL de Entrada-Salida de Turbina para Proceso 2 ..............................................98

12

Ilustración 46. Element Stations en Simulación .......................................................................103

Ilustración 47. Elements Resources en Simulación...................................................................103

Ilustración 48. Element Replicate en Simulación ......................................................................104

Ilustración 49. Element Attribute en Simulación ......................................................................104

Ilustración 50. Element Variable en Simulación .......................................................................105

Ilustración 51. Modelación General en el Software Arena 15.0 ...............................................106

Ilustración 52. Modelación Detallada 1 en el Software Arena 15.0..........................................107





Ilustración 57. Resultados del Simulador Arena .......................................................................115

Ilustración 58. OptQuest Paso 1 ...............................................................................................116




Ilustración 62. Resultado de OptQuest de Simulación Arena ...................................................117

13

ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo 1. Gasto de Personal de Oficina ....................................................................................127

Anexo 2. Gasto de Personal de Obra ........................................................................................128

Anexo 3. Gasto de Personal de Dirección .................................................................................128

Anexo 4. Gasto de Personal Total por Mes – Sección 1 ............................................................129

Anexo 5. Gasto de Personal Total por Mes – Sección 2 ............................................................130

Anexo 6. Gasto Total de Equipos y Materiales al Detalle .........................................................131

Anexo 7. Diagrama de Gantt en Microsoft Project – Sección 1 ................................................132



Anexo 10. Diagrama de Gantt en Microsoft Project – Sección 4 ..............................................135

14

RESUMEN

La Refinería La Pampilla es una refinería de petróleo que desde 1964 hasta el presente

año cuenta con tres ampliaciones que en el transcurso del tiempo fue modernizándose

para el inicio de la producción de Diesel de bajo azufre, proveyendo de tal forma

productos petrolíferos que generen menor contaminación a la capa de ozono.

Dentro de sus ampliaciones se encuentra el Proyecto RLP21 “Adecuación a

Nuevas Especificaciones de Combustibles” del Bloque I de Destilados Medios, el cual

es el objeto de estudio donde se pudo localizar como problema principal el gasto

excesivo de energía eléctrica. Es por ello que surge la necesidad de optimizar los

recursos eléctricos con el fin de reducir los costos de energía eléctrica. Es así como se

propone implementar energía alterna que hará que la Refinería se autoabastezca por sí

misma gracias al aprovechamiento de vapores que emanan algunos de sus equipos de

vapor, sin necesidad de amortizar a una empresa de central eléctrica, mediante la

instalación de dos turbinas de vapor con sus respectivos generadores eléctricos

ubicados en la unidad 53 del Bloque I.

Asimismo, para el modelado de esta solución se empleó el software de

simulación Rockwell Arena 15.0, el cual analiza e indica si la propuesta de diseño cuasi-

experimental en mención genera impactos y cambios positivos, arrojando así resultados

estadísticos que permiten tomar decisiones. A su vez, para llegar a la optimización de

costos se elaboró un comparativo de inversión de tiempo con esta propuesta de

implementación versus lo facturado por la empresa Enel para una proyección menor de

5 años.

Finalmente, se llegó a la conclusión que en un tiempo de 7 meses se gastaría

S/. 28’212,802.15 nuevos soles al implementar la propuesta en mención y un gasto total

anual de S/. 83’673,662.10 nuevos soles al seguir usando los servicios que provee la

empresa Enel. Demostrando así que la presente propuesta de implementación es

factible y rentable.

Palabras claves: energía alterna, simulación, software Arena, optimización,

reducción de costos, ahorro económico y Nikola Tesla.

15

ABSTRACT

The Refinery La Pampilla is a petroleum refinery since 1964 that until this year

has three extensions that with the passage of time was modernizing its refinery for the

start of the production of low sulfur diesel producing petroleum products that generate

less pollution to the ozone layer.

In its extensions it has RLP21 Project "Adaptation to New Fuel Specifications" of

Block I of Destilados Medios, which is our object of study, where the overspending

electric energy was located as the main problem. This is how there is a need to optimize

electrical resources in order to reduce electricity costs. That is why the need arises to

optimize electrical resources in order to reduce the costs of electricity. This is how it

proposes to implement alternative energy that will make the Refinery self-sufficient by

itself thanks to the use of vapors that emanate some of its steam equipment, without the

need to amortize a power plant company, through the installation of two steam turbines

with their respective electric generators located in unit 53 of Block I.

Also, for the solution of our object of study, the Rockwell Arena 15.0 simulation

software was used, which analyzes and indicates whether the proposal of quasi-

experimental design generates positive impacts and changes, producing statistical

results that allow decisions to be made. Additionally, to arrive at cost optimization, a time

investment comparison was made with this implementation proposal versus those

invoiced by the Enel Company for a projection of less than 5 years.

Finally, it was concluded that in a time of 7 months would be spent

S /. 28,212,802.15 soles when implementing the proposal in question and a total annual

expense of S /. 83,673,662.10 soles to continue using the services provided by the

company Enel. Demonstrating that the present implementation proposal is feasible and

profitable.

Key Words: Alternate energy, Simulation, Arena software, optimization, cost reduction,

monetary saving and Nikola Tesla.

16

INTRODUCCIÓN

En la actualidad estamos en un mundo donde la transformación de los seres humanos

va avanzando rápidamente gracias a la tecnología. Por esta razón es que nos

encontramos en una era llamada “la revolución de la inteligencia” donde lo que era

ciencia ficción está cambiando a ciencia real y lo que parecía imposible ya no lo es más.

Los seres humanos tenemos el potencial de “llegar a ser” y no solo de “ser”, ya que

tenemos la capacidad de adaptarnos fácilmente al cambio. El futuro está lleno de

grandes oportunidades y riesgos donde el camino hacia ello se debe avanzar con

inteligencia y sin miedo.

Es así como el presente estudio de investigación emerge de las curiosidades de

dar soluciones alternas aprovechando las mermas de procesos del refino para la mejora

continua de cualquier problemática, teniéndose como propósito principal optimizar el

gasto excesivo del suministro eléctrico en la Refinería La Pampilla para el Bloque I del

proyecto de Destilados Medios, proponiendo utilizar energía alterna mediante la

implementación de dos turbinas de vapor con sus respectivos generadores eléctricos

que aprovecharan de los vapores que emanan la caldera de recuperación de calor del

incinerador 53B-201 y los generadores de vapor 53E-201/53E-207 ubicados en la

unidad 53 del Bloque I y así llegar al autoabastecimiento de la Refinería sin que tenga

la necesidad de amortizar a una compañía de central electrica.

Por otro lado, dichos equipos a implementar irán conectados a la subestación

eléctrica de la unidad 63 que distribuye la energía para el funcionamiento del Bloque I.

A su vez, se realizará una comparación de costos de lo que se va a gastar pagándole a

un terciario, que es en este caso la compañía Enel, versus el gasto de dicha propuesta

de implementación, teniendo en cuenta una proyección menor a 5 años para que el

presente estudio de investigación sea rentable.

Para ello se recopiló datos para la identificación y formulación del problema, la

cual nos permitió hallar con exactitud el gasto mensual que generaba el bloque I de la

Refinería La Pampilla. Posterior a ello, recaudamos información mediante libros, papers,

revistas, tesis entre otros para facilitar la elaboración de la redacción del marco

referencial, la cual contiene los antecedentes nacionales e internaciones relacionados

al estudio de investigación, aportando soluciones a la problemática, para proceder con

la elaboración del estado de arte, donde permite conocer a detalle los estudios

científicos realizados por físicos, químicos, ingenieros, entre otros.

17

Asimismo, en el marco teórico se describe los aspectos más importantes

utilizados para el desarrollo del procedimiento del presente estudio de investigación.

Finalmente, se determina la matriz de consistencia donde encontraremos de manera

concisa la formulación del problema, los objetivos, las hipótesis, las variables e

indicadores y la metodología a utilizar.

De esta manera para llegar a la solución de los objetivos se usa al software de

simulación Rockwell Arena 15.0 para la modelación del problema, la cual permitirá

simular el proceso, analizar los indicadores de desempeño y evaluar el rendimiento.

Dicho software es una de las herramientas principales para la Ingeniería Industrial y es

utilizado en este estudio de investigación debido a que con él se puede visualizar

resultados muy cercanos a la realidad sin la necesidad de implementarlos en el tiempo

real, ahorrando de tal manera tiempo y recursos.

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