Um dos controles mais importantes nas unidades industriais é o controle dos níveis. Segundo Campos [19, 21], estes controladores são responsáveis pelos “balanços
de massa” das plantas. Isto é, para manter o nível do separador constante é necessário
que a vazão mássica de entrada seja igual à vazão mássica de saída. Entretanto, este aumento não precisa ser no mesmo instante. Ao contrário, deve-se procurar sintonizar a malha de nível de forma a usar o nível do separador para amortecer as variações de saída. Isto é, o controle deve permitir que o nível flutue em torno da referência, para que o aumento na variação de saída ocorra mais lentamente. Desta maneira, as oscilações provenientes das golfadas não são repassadas rapidamente para os equipamentos a jusante do processo.
Em Nunes [12], é definida uma nova metodologia de controle de nível denominada “Controle por Bandas”. Nesta metodologia, durante a atuação do controlador, o nível de líquido dentro do separador pode variar entre o máximo e o mínimo estabelecido de uma banda, conforme a Figura 5.1, de modo que as vazões de saída estejam próximas ao valor médio da vazão de entrada. Esta metodologia tem por objetivo usar a capacidade do separador para amortecer as oscilações provenientes das golfadas, de modo que seus efeitos sejam reduzidos para os equipamentos a jusante do processo.
O controlador de nível na metodologia por bandas possui dois modos de operação: (1) quando o nível de líquido se encontra dentro da banda, utiliza-se o controlador de nível PI de ação lenta em média móvel, pois diminuindo a capacidade de atuação do controlador permite-se que o nível de líquido flutue mais livremente dentro do vaso; (2) quando os limites da banda são ultrapassados, comuta-se a ação de controle
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para um controlador de nível PI de ação rápida por certo tempo, visando garantir o retorno do nível de líquido para dentro da banda e, em caso positivo, a ação de controle de nível PI retorna a ação lenta em média móvel. Para evitar variações bruscas na ação de controle durante a comutação entre os modos de operação dentro e fora da banda (i.e., (1) e (2)), é usada uma média entre as ações de controle PI de ação rápida e PI de ação lenta em média móvel [12, 13]. O diagrama de blocos da estratégia de controle de nível na metodologia por bandas é apresentada na Figura 5.2
Figura 5.1: Sistema bifásico de separação [26].
Figura 5.2: Diagrama de blocos do controle de nível por bandas de Nunes [12]. Neste contexto, neste capítulo são consideradas as seguintes estratégias de controle de nível: (1) controlador de nível PI na metodologia por bandas e (2) controlador de nível PI convencional, ou seja, o nível deve permanecer fixo no setpoint (i.e., referência). Para as simulações será utilizado o modelo de Sausen [26] para o
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processo e o algoritmo do controlador PI na forma em velocidade, apresentado no Capítulo 4.
5.3 Resultados das Simulações
Nesta seção são apresentados os resultados das simulações para as estratégias de controle consideradas na Seção 5.2, utilizando a ferramenta computacional MATLAB. Para a implementação das estratégias de controle de nível foi utilizado um separador de comprimento 4,5 m e diâmetro 1,5 m seguindo os padrões utilizados nos trabalhos de
Sausen [26, 27]. a referência considerado para o nível de líquido é 0,75 m (i.e., metade
do separador).
A estratégia de controle PI convencional é a mesma utilizada no Capítulo 4, cujos ganhos e tempo integral são encontrados através do método heurístico de sintonia de controladores de nível e respectivamente iguais a 13 e .
Para o controlador de nível PI na metodologia por bandas, foi considerada a banda 0,20 m, onde o nível máximo de líquido permitido passou a ser 0,95 m e o nível mínimo 0,55 m, a banda foi definida seguindo os trabalhos de Sausen [26] e Campos et
al. [19, 20]. O intervalo para o cálculo da média móvel do controlador PI foi de T = 1000 s. Para a implementação destas estratégias de controle foram considerados um
amplo conjunto de aberturas de válvula no topo da tubulação ascendente, a fim de verificar ser a estratégia de controle de nível PI na metodologia por bandas é eficiente na redução das vazões de saída do separador de produção, e no controle de nível efetuado quando o líquido alcança a banda superior ou inferior dentro do vaso, para todos os casos simulados.
Inicialmente, foi escolhido um conjunto, denominado grupo (A), de aberturas de válvula no topo da tubulação ascendente de z = 18% a z = 28%. Para o controle de nível PI de ação lenta (i.e., dentro da banda) reduziu-se o ganho do controlador utilizado no Capítulo 4 para kp = 0,001 e Ti = 100000 s, pois o objetivo aqui é possuir uma maior
flutuação do nível de líquido dentro do vaso. Para o controlador PI de ação rápida (i.e., fora da banda) usou-se kp =0,5 e Ti = 1000 s.
A seguir, na Figura 5.3 (a) – (c), são apresentados os resultados das simulações para o nível de líquido para as seguintes aberturas da válvula no topo da tubulação ascendente respectivamente igual a z = 18%, z = 23% e z = 28%. Na Figura 5.4 (a) – (c) são mostradas as vazões de saída de líquido do separador para os controles de nível apresentados na Figura 5.3. Os resultados para outras aberturas de
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válvula que compõem o grupo (A) podem ser encontradas no Anexo A desta Dissertação.
Figura 5.3: Variações do nível de líquido com abertura da válvula no topo da tubulação ascendente iguais a: (a) 18%, (b) 23% e (c) 28%.
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Figura 5.4: Vazões de saída de líquido do separador com abertura da válvula no topo da tubulação ascendente igual a: (a) 18%, (b) 23% e (c) 28%.
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Para todos os resultados das simulações apresentados na Figura 5.4 observa-se que com a estratégia de controle de nível PI convencional as vazões de entrada são transferidas para a saída do separador. Por outro lado, considerando a estratégia de controle de nível PI na metodologia por bandas é mostrado que foi possível reduzir as oscilações das vazões de saída, e como consequência são permitidas flutuações do nível de líquido dentro do vaso, conforme Figura 5.3.
Considerando a estratégia de controle de nível PI na metodologia por bandas, observa-se que o controlador consegue controlar o nível quando este alcança os limites da banda, i.e., limite superior 0,95 m e limite inferior 0,55 m para todos os casos simulados no grupo (A). Porém, este controle não é rígido, pois quanto maior a abertura da válvula no topo da tubulação ascendente, conforme Figura 5.3, maior a dificuldade do controlador em fazer com que o nível não ultrapasse as bandas permitidas. Observa- se que este controlador de nível PI de ação rápida que atua nos limites das bandas com ganho kp =0,5 e tempo integral Ti = 1000 s também foi aplicado em situações onde a
abertura da válvula no topo da tubulação ascendente era superior a z = 28 %, entretanto o mesmo não conseguiu efetuar um controle satisfatório do regime de fluxo com golfadas dentro do vaso nas bandas definidas. Ou seja, com kp = 0,5 a ação de controle
não era forte o suficiente para fazer o nível de líquido retornar para dentro da banda e controlar o regime de fluxo com golfadas no vaso.
Neste contexto definiu-se um novo conjunto, denominado grupo (B), de aberturas de válvula no topo da tubulação ascendente de z = 29% a z = 60%. Para o controle de nível PI de ação lenta (i.e., dentro da banda) continuou-se utilizando kp =
0,001 e Ti = 100000 s, e para o controlador PI de ação rápida (i.e., fora da banda)
aumentou-se o ganho para kp = 0,75 e Ti = 1000.
A seguir, na Figura 5.5 (a) – (c), são apresentados os resultados das simulações das variações do nível de líquido para as seguintes aberturas da válvula no topo da tubulação ascendente respectivamente igual a z = 29%, z = 40% e z = 60%. Na Figura 5.6 (a) – (c) são mostradas as vazões de saída de líquido do separador para os controles de nível apresentados na Figura 5.5. Os resultados para outras aberturas de válvula que compõem o grupo (B) podem ser encontradas no Anexo A desta Dissertação.
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Figura 5.5: Variações do nível de líquido N(t) com abertura da válvula z no topo da tubulação ascendente em: (a) 29%, (b) 40% e (c) 60%.
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Figura 5.6: Vazões de saída de líquido do separador com abertura da válvula no topo da tubulação ascendente em: (a) 29%, (b) 40% e (c) 60%.
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Para todos os resultados das simulações apresentados na Figura 5.6 observa-se que com a estratégia de controle de nível PI convencional as vazões de entrada são transferidas para a saída do separador. Por outro lado, considerando a estratégia de controle de nível PI na metodologia por bandas é mostrado que foi possível reduzir as oscilações das vazões de saída, e como consequência são permitidas flutuações do nível de líquido dentro do vaso, conforme Figura 5.5.
Verificando a estratégia de controle de nível PI na metodologia por bandas, observa-se que o controlador consegue controlar o nível quando este alcança os limites da banda, i.e., limite superior 0,95 m e limite inferior 0,55 m para todos os casos simulados que compõem o grupo (B). Porém, este controle não é rígido, pois quanto maior a abertura da válvula no topo da tubulação ascendente maior a dificuldade do controlador em fazer com que o nível não ultrapasse as bandas permitidas.
5.4 Conclusões
O regime de fluxo com golfadas provoca oscilações nas vazões de saída de líquido do separador de produção, causando perturbações nos equipamentos do processo e prejuízos de ordem econômica expressivos na indústria de produção de petróleo. Neste capítulo, com o objetivo de reduzir as vazões de saída oscilatórias ocasionadas pelas golfadas foi implementada a estratégia de controle de nível PI na metodologia por bandas para um amplo conjunto de aberturas de válvula no topo da tubulação ascendente. Esta estratégia de controle foi comparada com a estratégia de controle de nível PI convencional, amplamente utilizada em processos industriais.
Conforme o resultado das simulações para todos os casos considerados o controlador de nível PI na metodologia por bandas apresentou resultados satisfatórios, pois o mesmo conseguiu diminuir as oscilações de vazão de exportação para os equipamentos à jusante do separador devido à flutuação do nível de líquido dentro do vaso, quando comparado com a estratégia de controlador de nível PI convencional.
Por outro lado, observou-se que o controlador de nível PI na metodologia por banda não efetua um controle rígido nas bandas definidas, na maioria dos resultados encontrados observa-se que o mesmo ultrapassou um pouco os limites considerados sendo que a partir da abertura de válvula no topo da tubulação ascendente maior que z =28%, ou seja, quando a golfada torna-se mais severa foi necessário o aumento do ganho do controlador PI de ação rápida para controlar o regime de fluxo com golfadas dentro do vaso.
75 CAPÍTULO 6
CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS
Neste trabalho realizou-se uma pesquisa teórica sobre o regime de fluxo com golfadas na produção de petróleo e a utilização de estratégias de controle para manipular este tipo de fluxo em um separador através do uso de um modelo matemático do processo. Conforme foi dissertado no transcorrer deste trabalho o regime de fluxo com golfadas ocasiona vazões de carga e exportação oscilatórias em plataformas de produção, provocando perturbações nos equipamentos a jusante do processo e prejuízos de ordem econômica significativos. Portanto, manipular a golfada através de estratégias de controle com realimentação que atuam nas válvulas dos vasos de separação torna-se uma necessidade na indústria de produção de petróleo.
Neste contexto, no presente trabalho, foram investigadas estratégias de controle com realimentação no problema da golfada na produção de petróleo através do uso de um modelo matemático do processo. O modelo utilizado é denominado modelo de
Sausen formado por um sistema de 5 (cinco) Equações Diferencias Ordinárias (EDOs),
acopladas, não-lineares, com 6 (seis) parâmetros de sintonia e mais de 40 (quarenta) equações internas, geométricas e de transporte.
Inicialmente, no Capítulo 4, foi proposto e implementado um controlador PI de ação lenta, onde o algoritmo de controle possui o ganho reduzido e o tempo integral aumentado, tal controlador foi comparado com a estratégia de controle PI convencional, amplamente utilizada em processos industriais. Conforme os resultados das simulações, na estratégia de controle de nível PI de ação lenta, o nível de líquido flutuou moderadamente em torno da referência dentro do vaso sendo possível observar uma redução nas oscilações da vazão de saída de líquido do separador, quando este controlador foi comparado com a estratégia de controle de nível PI convencional.
Por outro lado, observa-se que a estratégia de controle PI de ação lenta apresenta uma limitação, pois caso o ganho do controlador seja reduzido para ocasionar uma flutuação de nível maior dentro do vaso e aconteça uma golfada severa, não há limites de nível dentro do vaso para controlar a golfada e evitar inundação ou arraste de gás pela válvula de líquido, causando uma parada de emergência na plataforma e consequentemente diminuindo a produção de petróleo provocando prejuízos econômicos significativos.
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Para contornar este problema, no Capítulo 5, foi implementada outra estratégia de controle de nível denominada controle de nível PI na metodologia por bandas também comparada com a estratégia de controle de nível PI convencional. Nesta metodologia, durante a atuação do controlador de nível, é permitido que o nível excursione entre o máximo e o mínimo de uma banda, de modo que as vazões de saída estejam próximas ao valor médio da vazão de entrada.
Para esta implementação o controlador de nível PI na metodologia por bandas apresenta dois modos de operação: (1) quando o nível de líquido se encontra dentro da banda, utiliza-se o controlador de nível PI de ação lenta em média móvel, pois diminuindo a capacidade de atuação do controlador permite-se que o nível de líquido flutue mais livremente dentro do vaso; (2) quando os limites da banda são ultrapassados, comuta-se a ação de controle para um controlador de nível PI de ação rápida por certo tempo, visando garantir o retorno do nível de líquido para dentro da banda e, em caso positivo, a ação de controle de nível PI retorna a ação lenta em média móvel. Para evitar variações bruscas na ação de controle durante a comutação entre os modos de operação dentro e fora da banda (i.e., (1) e (2)), é usada uma média entre as ações de controle PI de ação rápida e PI de ação lenta em média móvel.
O controlador de nível PI na metodologia por banda foi implementado para uma ampla quantidade de aberturas de válvula no topo da tubulação ascendente. Para todos os casos simulados observou-se que este controlador apresentou resultados satisfatórios, pois o mesmo conseguiu diminuir as oscilações de vazão de exportação para os equipamentos à jusante do separador devido à flutuação do nível de líquido dentro do vaso, quando comparado com a estratégia de controlador de nível PI convencional.
Verificou-se que o controlador de nível PI na metodologia por banda não apresentou um controle rígido nas bandas definidas, na maioria dos resultados encontrados observa-se que o mesmo ultrapassou um pouco os limites considerados sendo que a partir da abertura de válvula no topo da tubulação ascendente maior que z =28%, ou seja, quando a golfada tornou-se mais severa foi necessário um aumento no ganho do controlador de nível PI de ação rápida para controlar o regime de fluxo com golfadas dentro do vaso.
A seguir são apresentadas algumas sugestões de trabalhos futuros para a continuidade da pesquisa: modelagem da tubulação sob golfadas considerando fluxo trifásico, ou seja, óleo, gás e água; extensão do modelo dinâmico para um sistema tubulação-separador sob golfadas considerando o fluxo trifásico; construção de uma
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plataforma experimental que descreva o processo sob golfadas, e sua sintonia considerando o modelo dinâmico para o sistema tubulação-separador; aplicação de outras estratégias de controle com realimentação no sistema acoplado através da utilização do modelo dinâmico para o sistema tubulação-separador; aplicação da metodologia de controle por bandas associada a um controle de vazão; extensão do controle por bandas considerando a válvula no topo da tubulação ascendente.
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