Desafios na Área de Automação na Exploração de Petróleo da Camada Pré-Sal

Transcrição

1 IV WORKSHOP DA REDE DE INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE (REDIC) Desafios na Área de Automação na Exploração de Petróleo da Camada Pré-Sal Dr. Mário Cesar M.M. Campos Consultor Sênior na área de Automação, Controle e Otimização Centro de Pesquisa da PETROBRAS - CENPES Setembro 2011

2 Desafios na Área de Automação na Exploração de Petróleo da Camada Pré-Sal A descoberta de Petróleo na Camada Pré-Sal, localizada a grandes distância da costa, associada as regulamentações rigorosas de segurança, eficiência energética, meio-ambiente e qualidade de produtos, impõe grandes desafios para a área de automação. 300 km Off-shore 3000 m Lâmina d água

3 Como apoiar a operação de Unidades Complexas localizadas a 300 km da costa?

4 Centros Remotos para Supervisão e Controle Uso de Centros Remotos para a Operação, Otimização e Manutenção das Unidades de Produção, de forma a apoiar as equipes embarcadas com o objetivo de aumentar a segurança, a confiabilidade e a rentabilidade operacional. TRANSPETRO A tecnologia de sistemas de fibra óptica submarinas permite a implantação destes centros

5 Desafios: Segurança das redes de automação. Centros Remotos para Supervisão e Controle Sistemas de automação de alta disponibilidade. Ergonomia da sala, sistemas para melhorar a interação entre os operadores remotos e embarcados. Divisão de trabalhos e responsabilidades. Percepção remota: sistemas robóticos de monitoração e inspeção. Sistemas Robóticos Câmeras sem fio Wireless PDA - RFID

6 Centros Remotos para Supervisão e Controle Desafios: Sistemas de diagnóstico em tempo real Sistemas de Alarmes Críticos (apoio em tempo real: SGA UFF, SAC UFRJ, BR-Tools - UFRN) Sistemas de apoio à operação (Maice UFBA, MPA PUC-Rio) Sistema de sintonia de PID (BR-Tuning UFCG) Sistemas de gerenciamento da automação Alarmes (BR-AlarmExpert UFRN) Instrumentação Malhas de controle (BR-PerfX UFRGS) Equipamentos Trocadores de calor (Fouling TR UERJ e UFRJ) Compressores (UFRJ) Centros Remotos para a Operação, Otimização e Manutenção das Unidades de Produção podem contribuir para a utilização destas tecnologias

7 Desafio: Implantar as várias camadas de otimização

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9 Mas como implementar efetivamente estas camadas de otimização com uma alta variabilidade nos processos? Planta de gás - UPGN Como definir o ponto ótimo? É muito difícil obter e validar modelo Melhorar o controle antes de otimizar

10 Controle Regulatório Reduzir a variabilidade e as paradas não programadas. Aumentar a segurança. Planta de gás - UPGN

11 Cerca de 50% das malhas de controle PID têm problemas de sintonia Caso Base Após melhorias Regulatório Cerca de 450 malhas de controle analisadas

12 Mm3/d Gás Comb. / Mm3/d GN Controle Avançado para: 31% de aumento na recuperação de LGN Maximizar a produção, Garantir a qualidade dos produtos, Aumentar a eficiência energética, Consumo específico de Gás Combustível Tempo (h) Redução do consumo de gás nos fornos em 18% resultando na diminuição das emissões de CO 2 em 1600 ton/ano UPGN de Catu jun/07 mai/09 UPGN - Guamaré

13 Tempo Relativo de Campanha (%) Controle Avançado para: Minimizar as perdas na tocha Redução de queima na tocha, diminuindo as emissões em tco 2 /ano na unidade de HDT da REPLAN Redução dos custos operacionais, ao operar os equipamentos nas suas regiões de máxima eficiência, minimizando os desgastes e as manutenções Aumento do tempo entre manutenções (38%) Campanha dos Fornos Redução das emissões na tocha em 40% ANTES CPM 76 DEPOIS CPM Fornos de Pirólise

14 Controle Avançado em Plataformas de Petróleo Embora as tecnologias de controle avançado sejam uma realidade em várias áreas industriais (refinarias, petroquímicas, plantas de gás), elas não são amplamente utilizadas em plataformas de petróleo.

15 Por que o controle avançado não é amplamente utilizado em plataformas de petróleo? Uma plataforma possui muitos transientes (paradas, diferentes alinhamentos dos poços, perturbações) A produção nunca está em regime permanente, é um processo variante no tempo (razão gás/óleo, teor de água, cone de gás e água, etc). Poucos instrumentos disponíveis (perfis de pressão e temperatura nas linhas e poços, etc.) Não existem especialistas em controle embarcados para implementar e manter estas ferramentas operando adequadamente.

16 Como difundir as tecnologias de controle avançado nas plataformas de petróleo? Para minimizar os efeitos dos transientes e das perturbações, nós necessitamos de novos algoritmos com certas capacidades adaptativas. Para lidar com a falta de instrumentação, nós necessitamos de novos sensores, e de inferências baseadas em modelos. Para implementar e manter estes sistemas, nós podemos ter um grupo de especialistas nos centros remotos de supervição e operação. IO centers Focados em Controle e Otimização

17 Análise das malhas de um FPSO Cerca de 90% das malhas PID poderiam ter um desempenho melhor. Estes processos são um desafio para os engenheiros de automação devido as características variantes no tempo 100% 0% Variações nas válvula com alta freqüência Golfadas com períodos de 2.5 horas

18 Existem muitas conseqüências de se ter uma alta variabilidade nas saídas das malhas PID: Perda de desempenho dos equipamentos, aumentando a necessidade de manutenção nas válvulas de controle, compressores, turbinas, motores, bombas, etc.; Gera problemas operacionais, por exemplo, dificuldade em garantir a qualidade dos produtos (TOG, BSW, e umidade no gás), arraste de líquido para os compressores, etc. Vibrações em linhas, podendo gerar vazamentos; Portanto, existem muitas questões de segurança, rentabilidade Instabilidades e no de controle manutenção levando associadas a paradas a alta não programadas; variabilidade das malhas de controle

19 Análise das malhas de um FPSO Cerca de 90% das malhas PID poderiam ter um desempenho melhor. Faixa de operação é pequena: 46 a 66%, fora temos uma parada de emergência dos poços Com uma golfada severa, o sistema apresentou um trip (parada não desejada) Necessita-se Nova de sintonia um algoritmo adaptativo, que perceba a chegada Maior estabilidade da golfada e ajuste a rapidez das malhas PIDs para esta perturbação

20 Estratégia Proposta

21 Estratégia Proposta Sistema para minimizar as grandes perturbações: Controle Anti-golfadas Sistema adaptativo para encontrar as sintonias ótimas das malhas PID de forma a absorver e rejeitar as perturbações atuais do processo Implementra novos algoritmos preditivos com capacidade de adaptação para um processo variante no tempo, de forma a coordenar e implementar os objetivos definidos pela otimização em tempo real.

22 Primeira camada do Controle Avançado

23 Escoamento multifásico Um dos grandes desafios, do ponto de vista de controle, da produção de petróleo em águas profundas decorre da existência de instabilidades severas devido ao regime de escoamento em golfadas (slugs). Vazão de Produção

24 Desafios: Novos sensores e algoritmos de controle não-linear Controle ativo nos poços: Controle Anti-golfadas Atuação na válvula de chegada na plataforma Efeito na produção Interface de Operação Medições no fundo do poço

25 Controle Anti-golfadas [Godhavn et al., 2005] [Mateus et al., 2010] [Storkaas and Skogestad, 2003] Minimize disturbance

26 Segunda camada de controle avançado

27 Ajuste automático das malhas PID O objetivo é automaticamente definir uma sintonia que respeite as variabilidades LC SG A/B LC desejadas considerando o grau atual de perturbação da planta LV A/B TO A/B LC SG LC CI A/B CI A/B LV A/B LV B LV A/B FI FC Tratamento de água FI LV A FV P-33

28 Algoritmo de controle avançado proposto [Campos e Teixeira, 2011]

29 Algoritmo para ajuste automático das malhas PID Algoritmo adaptativo baseado no desempenho da malha Curva de sintonia obtida offline (garantia de estabilidade) Nova Sintonia Variabilidade desejada na PV definida pelo operador Grau de perturbação atual ao qual a planta está submetida Interface de Operação

30 Algoritmo de Controle Avançado Arquitetura do sistema de controle avançado MPA software CENPES & PUC-Rio Controle avançado roda em um computador de processo que se comunica com o sistema de automação

31 Resultados de Implementações

32 Resultados de Implementações Sintonia sendo alterada PV and SP Saída (MV) Sintonia agressiva Sintonia suave

33 100% Resultados de Implementações Sistema respeita a variabilidade definida 0% Válvula muito mais estável, não varia de 0 a 100% 80 dias de operação

34 Resultados de Implementações Redução de 60% na variabilidade das saídas dos controladores Uma maior estabilidade da vazão de óleo produzida: aumenta a vida útil das bombas, a qualidade das medições fiscais, o desempenho dos sistemas de detecção de vazamento, minimiza vibrações (fadiga) nas linhas e vazamentos.

35 Terceira camada de controle avançado

36 Controle preditivo multivariável e Otimização Com uma menor variabilidade obtida pelas camadas anteriores, pode-se implementar com melhor desempenho as outras camadas de otimização: Controle preditivo multivariável adaptativo para minimizar as paradas não-programadas e garantir a qualidade Otimização do Gas-lift para aumentar a produção, Otimização dos diversos processos da plataforma, Otimização do reservatório (escala de anos), Planejamento e scheduling. Vários desafios de algoritmos e interação entre as camadas

37 Conclusões Existem grandes perspectivas de uso de técnicas de controle avançado para plataformas de produção, com o objetivo de aumentar a estabilidade, a segurança, a rentabilidade e a confiabilidade dos processo, além de permitir a implantação das outras camadas de otimização. O grande ganho do sistema de controle avançado é operar de forma mais eficiente os equipamentos disponíveis.

38 Conclusões As plantas de processo das plataformas de produção estão se tornando mais complexas e requerem estas ferramentas avançadas para suportar os operadores. O uso de centros remotos para implantar e manter estas ferramentas é um diferencial que irá ajudar a difundir estas aplicações nas plataformas de produção.

39 Conclusão Os pontos chaves para o sucesso da implementação de sistemas de controle avançado são: trabalho multidisciplinar e busca de soluções de médio-prazo (novos pontos de operação, novas estratégias de controle, novos paradigmas, etc.). É importante disseminar e acompanhar os ganhos obtidos (econômicos, segurança, meio-ambiente, etc.) para que se mantenha uma equipe responsável pela manutenção destas ferramentas. A formação e o treinamento de bons engenheiros é crucial para o sucesso destas tecnologias.

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