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Medidor de Fração de Água para Escoamento Bifásico (Água – Óleo) Utilizando Técnicas de Micro-ondas e Cavidades Ressonantes PPGEAS - Programa de Pós-Graduação.

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1 Medidor de Fração de Água para Escoamento Bifásico (Água – Óleo) Utilizando Técnicas de Micro-ondas e Cavidades Ressonantes PPGEAS - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina Eduardo Scussiato Orientador: Daniel J. Pagano Co-orientador: Walter Carpes 30 Abril de 2010

2 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

3 Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás Escoamento Bifásico: Óleo e Água Medição Multifásica INTRODUÇÃO [Kg/s] Bolha Golfada Transição Nevoeiro

4 Vazão Volumétrica: Vazão Mássica: Medição Multifásica INTRODUÇÃO Água e Óleo: Homogêneo: Vazão Volumétrica: [Kg/s] [m³/s] Objetivo:

5 Medição Multifásica INTRODUÇÃO Ocorre em todo processo produtivo

6 Avaliar a Produção / Recuperação Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO

7 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

8 Medição Multifásica Longo tempo para estabilizar São conectados a unidades Móveis Grandes e Pesados Manutenção CARACTERIZAÇÃO

9 Medição Multifásica Todos Importados Sistema de Medição Complexo – Custo elevado $ ,00 – topside $ ,00 – subsea CARACTERIZAÇÃO [Vx Technology - Schlumberger]

10 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

11 Medição Multifásica MOTIVAÇÃO Há uma tendência em automatizar campos produtores Métodos: – Separação total; – Sem separação; – Separação parcial.

12 MOTIVAÇÃO Técnicas: – Capacitância e Resistência; – Atenuação Radioativa (Raio-X e Raio-Gamma); – Ultrassom; – Micro-ondas (Ondas Eletromagnéticas). Medidores por ondas eletromagnéticas: – Possibilitam a leitura das medições em tempo real; – Medem sem a separação das fases; – Medições instantâneas e contínuas; – Pequenos e leves; – Fácil instalação e manutenção.

13 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

14 OBJETIVOS Desenvolver um medidor de fração de água para escoamento de água e óleo por ondas eletromagnéticas em cavidade ressonante; Medição em dutos de forma não intrusiva; Baixo custo; Medição em ampla faixa de fração de água (0-100%) ; Estável e confiável; Parâmetros metrológicos adequados.

15 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

16 Cavidades Ressonantes TEORIA Cúbicas ou Cilíndricas; Frequência de Corte x Dimensões; Infinitas Frequências Ressonantes; Padrão de Campos: ElétricoMagnético

17 Cavidade Ressonante: Cilíndrica TEORIA Frequência Ressonante µ = Permeabilidade Magnética [N/A²] (µ = µ 0 µ r ) µ r = 1 Materialεrεr Ar1 Petróleo2,1 Óleo Mineral2,3 Água doce81 [N/A²] = Newton por Ampere ² quão facilmente ele se polariza em respostapolariza a um campo elétricocampo elétrico ε = Permissividade Elétrica [F/m] (ε= ε 0 ε r ) ε r = ?

18 Cavidades Ressonantes: Permissividade Relação de Debye: Tempo de Relaxação: TEORIA

19 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

20 Especificações SENSOR Frequência Operação: – Frequência Perdas Diâmetro Custo 10GHz: Perdas Desaparecem Diâmetro Cavidade 1mm – F rMáx. < 400 MHz; Mensurar em duto de 3; Não ser intrusivo; Definir: – Modo propagação; – Excitação/Recuperação; – Dimensões da cavidade.

21 EigenMode: Campos Eletromagnéticos – Um modo normal de vibração de um sistema oscilador TE 111 Simulação: HFSS SENSOR

22 Especificações - Dimensões SENSOR Cavidade 3 diâmetro – Água: F r = 280 MHz – Óleo: F r = 1.735,0 MHz – Δ f = 1455,0 MHz Define-se: – Diâmetro=5 ( a = 6,35cm ) – d = 15cm

23 Especificações - Brüggeman SENSOR Permissividade Equivalente: Brüggeman Mistura de água\óleo Água[%] ε r (Brüggeman) 2,15,31015,822,830,639,348,758,969,681

24 Especificações - Vão SENSOR AR ε rVão = ε rA = 1 ε rPVC =2,1 Brüggeman ε rSensor =1,09 Vão preenchido com ar Água[%] ε r (Equivalente) 1,683,365,758,712,1816,1120,4525,1730,2335,6341,31 Fr. [MHz] Vão preenchido com água Água[%] ε r ( Equivalente ) 36,038,241,244,848,652,656,860,965,069,376,4 Fr. [MHz] ÁGUA ε rVão = ε rW = 81 ε rPVC =2,1 Brüggeman ε rSensor =68,84 Água (Δfr=90MHz) Ar (Δfr=1050MHz) Vão: Ar

25 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

26 HFSS SIMULAÇÃO Excitação Modal (Driven Modal) – Atenuação de T x R x Ressonâncias

27 Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO

28 Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO

29 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

30 Estático EXPERIMENTO

31 Estático: Óleo Mineral EXPERIMENTO

32 Estático: Óleo Diesel EXPERIMENTO

33 Estático: HFSS x Diesel x Mineral EXPERIMENTO

34 Estático: Água Salgada (250 kppm – σ =25 S/m) EXPERIMENTO

35 Dinâmico Realizado em 2 etapas: – 20 litros de água – 20 litros de óleo Mistura homogênea EXPERIMENTO

36 Dinâmico: Experimento 1 (passos 5%) EXPERIMENTO

37 Dinâmico: Experimento 2 EXPERIMENTO

38 Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático EXPERIMENTO

39 Dificuldades EXPERIMENTO

40 Futuro EXPERIMENTO

41 Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Conteúdo

42 CONCLUSÃO Micro-ondas em cavidades ressonantes: – Medição da fração de água em dutos; – Medição não intrusiva: Protege as antenas; Não provoca queda de pressão na linha; Permite limpeza/enceramento de dutos. – Medição em ampla faixa de fração de água: Combustíveis; Tratamento de água; Produção de petróleo. O Desenvolvimento foi motivado por aplicações no monitoramento de campos produtores na industria de petróleo. Entretanto há aplicações em diversos processos.

43 CONCLUSÃO Resultados de simulação e experimentos: – Simulação de caso ideal: Ɛ r w=81 e Ɛ r o=2,1; – Experimento: Presença de impurezas na água; Presença de aditivo no óleo; Bomba monofásica; Bolhas de ar fluindo na mistura; Variação de temperatura; Erros de medições: – Dimensões da cavidade; – Diferenças nos volumes das amostras.

44 CONCLUSÃO Experimento com água saturada de sal – Mantêm a ressonância e o principio de funcionamento; – Elevadas perdas (σ 25 S/m); – Reduz a penetração das ondas EM; – Reduz o fator de qualidade; – Eleva os erros de medição.

45 CONCLUSÃO – Desenvolvimento de um medidor de fração de água para escoamento bifásico (água e óleo) utilizando técnicas de micro-ondas em cavidade ressonante. 5º Congresso Brasileiro de PD em Petróleo e Gás, 2009, Fortaleza/CE. – Development of water cut sensor for two fase (oil and Water) flow in pipeline by microwave in resonator cavity. ESSS South American Ansys User Conference, 2009, Florianopolis/SC ; – Medidor de fração de água para aplicações de controle e automação da produção de poços de petróleo. Rio Oil and Gas, 2010, Rio de Janeiro/RJ, (submetido); – Medidor eletromagnético de fração de água para escoamento bifásico de água e óleo. XVIII Congresso Brasileiro de Automática - CBA, 2010, Bonito/MS, (submetido). Gerou as seguintes publicações

46 CONCLUSÃO – Estudo do modo TM010 e comparar com o modo TE111; – Desenvolvimento de um sistema eletrônico de processamento de sinal; – Inclusão de sensores de temperatura e de salinidade; – Medição da velocidade média dos fluídos; – Realização de experimentos dinâmicos com diferentes padrões de escoamentos; – Estudo para avaliar o monitoramento das três primeiras ressonâncias; – Utilização de medições distribuídas (tomógrafo) para caracterizar os tipos de escoamento; – Levantamento dos parâmetros metrológicos do sensor. Direções para trabalhos futuros

47 AGRADECIMENTOS Laboratório de Circuitos Integrados


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