Proposta de Tecnologia para Controle de Velocidade de PIGs Instrumentados C. G. Pereira, R. R. G de Oliveira, G. F. de Lima, A. O. Salazar, A. L. Maitelli.

Apresentação em tema: "Proposta de Tecnologia para Controle de Velocidade de PIGs Instrumentados C. G. Pereira, R. R. G de Oliveira, G. F. de Lima, A. O. Salazar, A. L. Maitelli."— Transcrição da apresentação:

1 Proposta de Tecnologia para Controle de Velocidade de PIGs Instrumentados C. G. Pereira, R. R. G de Oliveira, G. F. de Lima, A. O. Salazar, A. L. Maitelli e F. A. O. Fontes Departamento de Computação e Automação Universidade Federal do Rio Grande do Norte 1

2 Sumário  Introdução  Motivação  Objetivos  Trabalhos Apresentados  Modelagem Matemática  O Movimento do PIG  O Diferencial de Pressão  O Atrito  A Válvula Bypass  Estratégia de Controle  Coeficiente de Vazão  Resultados  Simulação Computacional  Experimentais em Bancada  Conclusões 2

3 Introdução  Durante a vida útil de um duto várias operações de manutenção são necessárias;  Investimento em operações de inspeção pelas operadoras;  Tecnologia mais utilizada: PIGs instrumentados;  Operação difícil de ser realizada sujeita a vários tipos de perturbações;  Solução: Implantar um controle de velocidade. 3

4 Introdução  PIG instrumentado do tipo MFL 4

5 Motivação  Manter a velocidade do PIG em faixa aceitável para realizar operação de inspeção segura e eficiente. 5

6 Objetivos  Realizar estudos sobre a dinâmica do PIG em gasodutos;  Desenvolver um modelo para simulação do PIG com um by-pass eletronicamente atuado;  Desenvolver um controlador Fuzzy para manter a velocidade do PIG em limites pré-definidos. 6

7 Trabalhos Apresentados – Primeira Proposta  Título: Desenvolvimento de Tecnologia de Controle de Velocidade para PIG´s;  Evento: Rio Oil & Gas 2012. 7

8 Trabalhos Apresentados – Primeira Proposta  Tipo de válvula: rotativa (figura abaixo);  Tipo de acionamento: motor CC;  Tipo de controle: Proporcional + Derivativo. 8

9 Trabalhos Apresentados – Segunda Proposta  Título: Study and Simulation of Technology for PIGs Velocity Control Using Logic Fuzzy;  Evento: Simpósio RS 2013. 9

10 Trabalhos Apresentados – Segunda Proposta  Tipo de válvula: estática com 36 furos (figura abaixo);  Tipo de acionamento: 36 válvulas solenóides abrindo/fechando a passagem de gás pelo PIG;  Tipo de controle: lógica FUZZY para determinação da quantidade adequada de solenóides a serem abertas. 10

11 Modelagem Matemática – O Movimento do PIG  A dinâmica do movimento do PIG é baseada na Segunda Lei de Newton 11 onde, F g é a força exercida pelo diferencial de pressão, que move o PIG; F a é a força de atrito entre o PIG e a parede do duto; F p é a força peso que age quando o duto tem inclinação vertical; Β é o ângulo de inclinação do duto.

12 Modelagem Matemática – O Movimento do PIG  Estas forças estão relacionadas, segundo a Segunda Lei de Newton, da seguinte forma: 12

13 Modelagem Matemática – O Movimento do PIG  Modelo Linear (inicialmente F s = 0 e F p = 0): 13  Função de Transferência (condições iniciais nulas): Onde a entrada (F(s)) é a força que move o PIG e a saída (V(s)) é a velocidade do mesmo.

14 Modelagem Matemática – O Diferencial de Pressão  O diferencial de pressão foi modelado a partir de experimentos em bancada de testes;  A equação linearizada da pressão em função da abertura da válvula é dada por 14

15 Modelagem Matemática – O Atrito  Atrito Seco + Atrito Viscoso 15

16 Modelagem Matemática – O Atrito  Constante de Tempo do Sistema é dada por: 16  Com M = 145 Kg e τ = 10 s, temos:  Coeficiente do Atrito Seco = 0.0095.

17 Modelagem Matemática – A Válvula Bypass  A válvula proposta é composta por um orifício que será atuado de forma liga/desliga 17

18 Modelagem Matemática – A Válvula Bypass  Vista em corte da válvula 18

19 Modelagem Matemática – A Válvula Bypass  Vista em corte da válvula 19

20 Modelagem Matemática – A Válvula Bypass  Vista em corte da válvula 20

21 Modelagem Matemática – A Válvula Bypass  Foto da válvula 21

22 Modelagem Matemática – Estratégia de Controle  Modular a abertura da válvula liga/desliga de forma a obter um ΔP que garante a velocidade desejada;  Similar à modulação por largura de pulso (PWM);  Um algoritmo Fuzzy foi desenvolvido para calcular o valor da porcentagem de abertura da válvula; 22

23 Modelagem Matemática – Estratégia de Controle  Tipo: Mandani  Variáveis de entrada: o erro e a derivada do erro;  Variável de saída: porcentagem de abertura da válvula;  O valor de porcentagem permitiu definir o tempo em que a válvula deveria ficar aberta e depois fechada, sucessivamente, abrindo e fechando para se obter um valor médio de velocidade. 23

24 Modelagem Matemática – Estratégia de Controle  Funções de Pertinência do Erro 24

25 Modelagem Matemática – Estratégia de Controle  Funções de Pertinência da Derivada do Erro 25

26 Modelagem Matemática – Estratégia de Controle  Funções de Pertinência da Área 26

27 Modelagem Matemática – Estratégia de Controle  Mapa de Regras Fuzzy 27

28 Testes Experimentais – Definição do Coeficiente de Vazão  Medições de vazão (Q) e perda de carga (ΔP) foram realizadas para definição do coeficiente de vazão (Cv) da válvula 28 onde, C v é o coeficiente de vazão para válvula; p é a densidade relativa do gás em relação ao ar (0 kgf/cm² g e 0 ºF); Q é a vazão pela válvula; ΔP é a diferença de pressão ou perda de carga; P 1 é a pressão a montante da restrição; P 2 é a pressão a jusante da restrição.

29 Testes Experimentais – Definição do Coeficiente de Vazão  O ensaio foi feito com base nos seguintes parâmetros:  Duto com diâmetro interno de 100mm  Pressões empregadas no manômetro 03 (Pe)  2 BAR  3 BAR  3,5 BAR  Diâmetro aberto no ensaio de 2,5 mm. 29

30 Resultados – Simulação Computacional  Parâmetros da simulação para o modelo proposto: 30

31 Resultados – Simulação Computacional  Foi modelada uma perturbação que equivale à inclinação vertical no duto 31

32 Resultados – Simulação Computacional  A velocidade escolhida como referência foi de 2,3 m/s. 32

33 Resultados – Experimentais  Esquema da bancada de testes montada para realização dos ensaios experimentais: 33

34 Resultados – Experimentais  Consideração feitas para elaboração de um simples modelo matemático para representar o deslocamento e velocidade do PIG  A bancada de testes foi construída para ensaiar um PIG de 100mm de diâmetro;  Este PIG viajará a uma velocidade de 2 m/s, com a válvula proposta fechada;  A pressão de trabalho foi de 3 BAR. 34

35 Resultados – Experimentais  Modelo matemático para representar o deslocamento e velocidade do PIG  Partindo da equação ideal de energia  Considerando a velocidade do PIG sendo a mesma do fluído, então essa velocidade será dada por 35

36 Resultados – Experimentais  Se subtrairmos desta vazão Q f a vazão provocada pela abertura do restritor (2,5 mm), temos: 36 onde, Q f é a vazão de ar para se alcançar a velocidade de referência (2 m/s); Q a é a vazão com restritor aberto; A f é a área do PIG com a válvula fechada; A a é a área do obturador.

37 Resultados – Experimentais  Aplicando as equações, chegamos aos seguintes resultados: 37  Onde nota-se que com uma perda de carga de 1,2 BAR houve uma redução de velocidade de 2 m/s para 0,72 m/s.

38 Conclusões  Os resultados da simulação computacional comprovaram o sucesso do controle projetado. O mesmo manteve a velocidade do PIG constante e em meio a perturbações;  Foi apresentada uma proposta de válvula para controlar o fluxo de gás através do PIG. Pode-se perceber uma queda significativa de pressão com a abertura do orifício;  Foi adotado um método para calcular a velocidade do PIG e com ele foi exposto o quanto a velocidade do PIG diminuiu com a abertura do orifício, comprovando, assim, o sucesso do protótipo proposto. 38