Medidor de Fração de Água para Escoamento Bifásico (Água – Óleo) Utilizando Técnicas de Micro-ondas e Cavidades Ressonantes Eduardo Scussiato Orientador:

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

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

3 Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás
Medição Multifásica INTRODUÇÃO Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás Escoamento Bifásico: Óleo e Água Bolha Golfada Processo de movimentacao das moleculas de um fluido, umas em relacao as outras e aos limites impostos Transição [Kg/s] Nevoeiro

4 Vazão Volumétrica: Vazão Mássica: Medição Multifásica INTRODUÇÃO
Água e Óleo: Homogêneo: Vazão Volumétrica: [m³/s] Escoamento: é a mudança de forma do fluido sob ação de um esforço tangencial. [Kg/s] Objetivo:

5 Ocorre em todo processo produtivo
Medição Multifásica INTRODUÇÃO Ocorre em todo processo produtivo

6 Avaliar a Produção / Recuperação
Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO Avaliar a Produção / Recuperação

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

8 Longo tempo para estabilizar São conectados a unidades Móveis
Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO Longo tempo para estabilizar São conectados a unidades Móveis Grandes e Pesados Manutenção LONGO TEMPO ENTRE AMOSTRAS;

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

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

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

12 Medidores por ondas eletromagnéticas:
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 Conteúdo Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema
Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão

14 Medição em dutos de forma não intrusiva; Baixo custo;
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 Conteúdo Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema
Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão

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

17 Frequência Ressonante
Cavidade Ressonante: Cilíndrica TEORIA Frequência Ressonante [N/A²] = Newton por Ampere ² µ = Permeabilidade Magnética [N/A²] (µ = µ0 µr )  µr = 1 quão facilmente ele se polariza em resposta a um campo elétrico ε = Permissividade Elétrica [F/m] (ε= ε0 εr)  εr = ? permissividade dielétrica descreve como um material se comporta na presença de um campo elétrico A susceptividade elétrica χe de um material dielétrico é a medida de quão facilmente ele se polariza em resposta a um campo elétrico. Isto determina a permissividade elétrica do material e, portanto, influencia muitos outros fenômenos no meio, como a capacitância de capacitores e a velocidade da luz. Material εr Ar 1 Petróleo 2,1 Óleo Mineral 2,3 Água doce 81

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

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

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

21 TE111 EigenMode: Campos Eletromagnéticos Simulação: HFSS SENSOR
Um modo normal de vibração de um sistema oscilador TE111

22 Cavidade 3” diâmetro Define-se: Especificações - Dimensões SENSOR
Água: Fr = 280 MHz Óleo: Fr = 1.735,0 MHz Δf = 1455,0 MHz Define-se: Diâmetro=5” (a = 6,35cm) d = 15cm

23 Permissividade Equivalente: Brüggeman
Especificações - Brüggeman SENSOR Permissividade Equivalente: Brüggeman Mistura de água\óleo Água[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 εr (Brüggeman) 2,1 5,3 15,8 22,8 30,6 39,3 48,7 58,9 69,6 81

24 Vão preenchido com água
Especificações - Vão SENSOR AR εrVão= εrA = 1 εrPVC=2,1 Brüggeman εrSensor=1,09 ÁGUA εrVão= εrW = 81 εrPVC=2,1 Brüggeman εrSensor=68,84 Vão: Ar Vão preenchido com ar Água[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 εr (Equivalente) 1,68 3,36 5,75 8,7 12,18 16,11 20,45 25,17 30,23 35,63 41,31 Fr. [MHz] 1316 932 712 579 489 425 378 340 311 286 266 Vão preenchido com água Água[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 εr (Equivalente) 36,0 38,2 41,2 44,8 48,6 52,6 56,8 60,9 65,0 69,3 76,4 Fr. [MHz] 285 276 266 255 245 235 227 219 205 195 Ar (Δfr=1050MHz) Água (Δfr=90MHz)

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

26 Excitação Modal (Driven Modal)
HFSS SIMULAÇÃO Excitação Modal (Driven Modal) Atenuação de Tx  Rx Ressonâncias Arrumar DB

27 Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO

28 Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO

29 Conteúdo Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema
Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Enfase entre simulacao e ai pro experimento.

30 EXPERIMENTO Estático

31 EXPERIMENTO Estático: Óleo Mineral

32 EXPERIMENTO Estático: Óleo Diesel

33 Estático: HFSS x Diesel x Mineral
EXPERIMENTO Estático: HFSS x Diesel x Mineral Mudar escala para 100 – 500 MHz Repetitividade – co-relacao

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

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

36 EXPERIMENTO Dinâmico: Experimento 1 (passos 5%)

37 EXPERIMENTO Dinâmico: Experimento 2

38 Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático
EXPERIMENTO Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático repetitividade

39 EXPERIMENTO Dificuldades

40 EXPERIMENTO Futuro

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

42 Micro-ondas em cavidades ressonantes:
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 Resultados de simulação e experimentos:
CONCLUSÃO Resultados de simulação e experimentos: Simulação de caso ideal: Ɛrw=81 e Ɛro=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 Experimento com água saturada de sal
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 Gerou as seguintes publicações 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).

46 Direções para trabalhos futuros 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.

47 Laboratório de Circuitos Integrados
AGRADECIMENTOS Laboratório de Circuitos Integrados