Controle Inteligente de Sistemas de Bombeamento em Redes de Escoamento de Petróleo

O SmartPumping Projeto MDTP – 2002-2003 SmartPumping – 2005-2007 Cooperação UFCG e PETROBRAS (UN-RNCE e CENPES), com participação de pesquisadores do CEFET-PB, UFRN e USP.

O SmartPumping Objetivos: Algoritmos para simulação e otimização da operação e do dimensionamento de malhas de escoamento de petróleo Software flexível e de qualidade

Concepção: Modos de Uso Análise e planejamento operacional das bombas Simulação de cenários operacionais Simulação de regras de operação Aperfeiçoamento/Otimização da operação Análise da robustez da operação à variabilidade do contexto Dimensionamento de novas malhas ou novos elementos Simulação e Recomendação da operação das bombas em tempo real

A malha de escoamento Elementos representados: Tanques, dutos, bombas, nós e estações Malhas interdependentes (sub-malhas) Tanques produtores, receptores e produtores/receptores

A malha de escoamento

A malha de escoamento

A malha de escoamento

Simulação do escoamento: o coração do sistema Para determinadas Malha física de escoamento Condições iniciais de níveis de tanques e propriedades de fluidos Cenários de produção de petróleo Controle recomendado para as bombas calcula, ao longo do tempo, níveis de tanques, vazão, velocidade e pressão nos dutos, e propriedades dos fluidos resultantes de misturas Consumo, demanda e custo de energia

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Simulação do escoamento

Modos de Simulação Simulação não Dirigida Simulação Dirigida Simula um cenário sem considerar os níveis de segurança dos tanques Simulação Dirigida Simula um cenário considerando os níveis de segurança dos tanques Simulação Comparativa Simula um cenário em tempo real a partir de condições iniciais do supervisório Pode ser usada para: Comparar numericamente e graficamente os valores simulados com os valores observados Analisar a consistência do modelo hidráulico

Controle das bombas Manual Regras Otimização Sugerido pelo usuário Guiadas pelos níveis de segurança dos tanques Para evitar alarmes (violações de restrições) Baseadas no conhecimento dos operadores, para manutenção da vazão de entrega na estação receptora Otimização Considerando um ou mais objetivos

Exemplo

Projeto de novas malhas ou elementos Elementos que serão dimensionados

Projeto de novas malhas ou elementos Elementos que serão dimensionados

Tratamento dos Dados Monitorados

SmartPumping  Usuário Processo de transferência Adaptação/familiarização: Uso intensivo do SmartPumping Avaliação conceitual Avaliação da interface Utilização do SP como ferramenta operacional: Cadastramento da malha Calibração do modelo hidráulico Operacionalização do sistema

Controle Inteligente de Sistemas de Bombeamento em Redes de Escoamento de Petróleo

Simulação do escoamento Produção dos campos: Permite a edição de cenários da quantidade e propriedades do fluido que entra nas estações ao longo do tempo Permite a incorporação de equação de previsão pelo usuário Alarmes: Permite a especificação de restrições operacionais para dutos, tanques e nós

Elementos da Malha Bombas: Dutos: Tanques: Fluido: bombas volumétricas e centrífugas com velocidade constante Aceita bombas em paralelo, mas não em série Dutos: Simula conjuntos de dutos em paralelo Propaga fluidos distintos ao longo do duto Tanques: único fluido dentro do tanque, para um determinado instante Representa dois tanques numa mesma estação, funcionando independentes ou equalizados Fluido: Simula mistura de todas as propriedades do fluido ao longo da malha

Simulação do escoamento Utiliza equações da hidráulica do fluxo permanente Considera escoamento monofásico Ignora perdas de carga singulares Pode ser calibrada para ajuste ao escoamento monitorado, através de ferramenta de apoio

Simulação do escoamento Consumo de energia: Custo total energético (consumo e demanda) Ignora o custo devido à energia reativa e ao fator de potência Aceita diferentes tipos de tarifação de alta tensão Utiliza tarifas diferenciadas com relação ao período do dia, ao período do ano e a feriados Considera várias unidades consumidoras de energia

Objetivos Simular e otimizar a operação de malhas de escoamento com: Máxima eficiência no transporte Menor custo operacional Controle de pressão e velocidade Redução dos riscos de falhas operacionais

Concepção ... Supervisório Atualiza o sistema com dados do supervisório Encontra o escalonamento para o próximo horizonte Ativa módulo de controle Qual o controle para o horizonte? Horizonte de operação Intervalo de controle Linha do tempo ... Escalonamento sugerido pelo módulo de controle Aplica escalonamento para o próximo intervalo Simula e mostra para todo o horizonte

Concepção ... ... ... ... Supervisório Qual o escalonamento para o horizonte? Ativa módulo de controle Atualiza o sistema com dados do supervisório ... Novo escalonamento sugerido pelo módulo de controle Aplica escalonamento para o próximo intervalo Simula e mostra para todo o horizonte

Múltiplos tanques Considerações e Limitações: Modela no máximo dois tanques por estação As estações possuem uma única entrada e uma única saída de fluido Calcula o custo da operação Possíveis estados dos tanques : “Recebendo” “Transferindo” “Transferindo/Recebendo” “Disponível para receber” “Disponível para transferir” “Indisponível”

Consideração de diversas unidades gerenciais O SmartPumping busca a eficiência global do sistema A adoção dessa concepção pode causar prejuízos individuais em algumas unidades gerenciais Implementou-se uma ferramenta para alocar a economia global obtida com o controle otimizado entre todas as unidades gerenciais, de modo que todas obtenham o mesmo percentual de economia

Simulação Comparativa Objetivos: Simular um cenário em tempo real a partir de condições iniciais do supervisório Comparar numericamente e graficamente os valores simulados com os valores observados Analisar a consistência do modelo hidráulico Como funciona: No início de cada intervalo de cálculo, adquire-se os dados atualizados do supervisório: nível dos tanques, estados das bombas, vazão e pressão O SP: com os dados de estado e nível, simula e calcula os valores de Nível, vazão e pressão Comparam-se os valores calculados pelo SP (Nível, vazão e pressão) com os adquiridos do supervisório Saída: gráficos de comparação e arquivos com os valores calculados para cada elemento monitorado

A Ferramenta de Projeto Objetivo: Auxiliar no planejamento, projeto e expansão de redes Recursos Dimensionamento de novas malhas Dimensionamento de novos elementos: conjunto de bombas, conjunto de tanques e dutos

A Ferramenta de Projeto Soluções propostas pelo dimensionamento : Menor custo de investimento Menor custo operacional Vazão de transferência constante Apoio à decisão quanto a incorporação de novos elementos na malha

A Ferramenta de Projeto Considerações e limitações: Produção dos poços constante Os tanques dimensionados funcionam euqualizados Considera a vazão nominal das bombas no dimensionamento de novos elementos Dimensiona pelo menos dois tanques para cada estação Dimensiona bombas reservas Não dimensiona um novo elemento para um conjunto já existente

A Ferramenta de Projeto Cadastro do banco de dados: Tabela com opções de tanques Tabela com opções de dutos Pré-seleção de elementos

A Ferramenta de Projeto Cadastro do banco de dados:

A Ferramenta de Projeto Cadastro do banco de dados:

A Ferramenta de Projeto Cadastro do banco de dados:

A Ferramenta de Projeto Dados de entrada: Tempo de tancagem Arquivo de previsão da produção Arquivo de controle (dimensionamento de novos elementos)

A Ferramenta de Projeto Arranjo dos elementos: Elementos que serão dimensionados

Rotina de Dimensionamento Tanques: Volume mínimo de tancagem Enumeração exaustiva de todas as opções de tanques Melhor solução: que mais se aproxima do volume mínimo de tancagem e tem menor custo Dutos: Caminhamento das vazões Enumeração exaustiva de todas as opções de dutos Custos de investimento

Rotina de Dimensionamento Bombas: Enumeração exaustiva de todas as opções de bombas Cálculo da Hman a partir da vazão de projeto (previsão da produção) Para cada solução de dutos calcula-se a altura manométrica ideal Para cada solução de dutos, a solução de bombas cuja Hman seja superior e mais próxima da calculada Bombas reservas Custo de investimento

Rotina de Dimensionamento Cálculo do custo da operação: Assume um controle com todas as bombas dimensionadas ligadas Simula a malha para um dia útil e feriado (seco e úmido) Calcula o custo da operação Cálculo da função objetivo: A solução que combine o menor custo de investimento e operação

Resultado do Dimensionamento

Concepção Simulação Simulação