Controle de Lastro em Plataformas Flutuantes de Produção de Óleo e Gás

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1 Controle de Lastro em Plataformas Flutuantes de Produção de Óleo e Gás Charles Santos Ludovico 1, Gabriel da Silva Albuquerque 1, Gustavo Levin Lopes da Silva 1 e José Paulo V. S. da Cunha 2 1 Universidade Petrobras 2 Departamento de Eletrônica e Telecomunicações UERJ Curso de Especialização em Automação Industrial ICAPETRO 2007, Rio de Janeiro, 11 de junho de 2007

2 Tópicos Principais 1. Introdução 2. Objetivos 3. Estabilidade de sistemas navais 4. Sistema de lastro 5. Papel do operador de lastro 6. Automação do controle de lastro 7. Conclusões Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.1/18

3 Introdução Aplicações de plataformas semi-submersíveis: Exploração de petróleo em águas profundas Sistemas de soldagem Içamento etc. Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.2/18

4 Sistema de Lastro Responsável pela estabilidade da embarcação Compensa distribuição de pesos e esforços No Brasil: Operador atua em válvulas e bombas Controle manual Operação auxiliada por ferramentas computacionais Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.3/18

5 Objetivos Apresentar problema da estabilidade de sistemas navais Descrever papel atual do operador de lastro Apresentar alternativas de automação Controle de lastro deve considerar: Eficiência Segurança Estabilidade Respeito à resistência da plataforma Atuação rápida em emergências Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.4/18

6 Estabilidade de Sistemas Navais Definição: Capacidade que um corpo flutuante tem de retornar ao seu equilíbrio original após ser perturbado. nts M θ ângulo de banda θ G centro de gravidade θ K G Z B B centro de empuxo GZ braço de endireitamento M metacentro GM altura metacêntrica Restrição: GM GM min > 0 Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.5/18

7 Estabilidade Dinâmica cements Momento Momento Restaurador Momento de Emborcamento C Ângulo de Alagamento A B θ (inclinação) Áreas A, B e C são proporcionais a energias Restrição: B + C A + B + margem segura Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.6/18

8 Fatores na Estabilidade Movimentação de carga Avarias Ondas e ventos Efeito de superfície livre prejudica estabilidade: Tanque cheio Parcialmente cheio Compartimentação reduz efeito de superfície livre Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.7/18

9 Semi-submersível FPSO Semi-submersível (SS) FPSO Ondas passam entre pilares SS balança menos Menor movimentação de carga menor alteração do lastro SS tem centro de gravidade alto SS tem menor margem de estabilidade Controle de lastro da SS é mais crítico Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.8/18

10 Sistema de Lastro Tanques Tubulações Bombas Válvulas Sensores BOMBORDO 3 1 TQs TQs TQs TQs POPA PROA cements TQs TQs PSfrag replacements 4 2 TQs TQs BORESTE Bomba de lastro principal Bomba de lastro submersvel Semi-submersível Tanques de lastro Tanques de carga FPSO Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.9/18

11 Papel do Operador de Lastro Manter parâmetros de estabilidade adequados Distribuir o lastro pelo acionamento de bombas e válvulas Monitorar movimentação de carga Monitorar estanqueidade dos compartimentos Gerar relatórios Interagir com equipe de operação da plataforma Negociar interesses conflitantes: Ponto de operação seguro Ponto de operação eficiente Monitoração de lastro é contínua Operador não deve ter outra função Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.10/18

12 Ferramentas Computacionais Há diversos softwares para auxiliar na distribuição do lastro Exemplos: Ballast Advisor (Kilmurray, 1987) SSTAB PUC/Petrobras (Coelho e Nascimento, 2002) Funções: Simulação da plataforma Sugestão da distribuição de lastro Simulação de avarias Geração de diagramas e relatórios Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.11/18

13 Automação do Controle de Lastro Controle por realimentação: Realimentação de estado (Fortes e Cunha, 2006) Controle PID (Fossen, 2002), (Neto, Castanharo, Moraes e Lopes, 2007) Sistemas especialistas (Hock and Balaban, 1984), (Kilmurray, 1987) Controle avançado Controle fuzzy Controle de lastro dinâmico (Klug, 1979): Desenvolvido para guindastes flutuantes Movimentação de lastro por gravidade é ultra-rápida Inclinações menores que ±1 Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.12/18

14 Controle PID Aplicado a uma pequena plataforma com 4 tanques de lastro (Neto et al., 2007) h ref φ ref θ ref e h e φ e θ PID PID PID u h U 1 U u 2 φ Desacoplador U 3 u W θ m U 4 Controladores de nível dos lastros U 1 U 2 U 3 U 4 Plataforma semi submersível h φ θ l 1 l 2 l 3 l 4 Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.13/18

15 Sistemas Especialistas Detecção de falhas no sistema de lastro baseada em lógica Booleana (Hock and Balaban, 1984) Ballast advisor (Kilmurray, 1987): Aplicado na plataforma Balmoral Compilação de conhecimento de especialistas Sugere mudanças no lastro Dois modos de operação: Modo manual: após sugestão, operador decide como comandar bombas e válvulas Modo semi-automático: o software comanda o sistema após aval do operador Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.14/18

16 Conclusões Foram apresentados aspectos relevantes do controle de lastro Atualmente controle de lastro é manual Automação do controle de lastro deve ser cautelosa, uma vez que afeta a segurança da plataforma Automação pode reduzir falhas humanas Automação permitirá que operador se dedique a tarefas de alto nível Automação do lastro é importante, mas pouco explorada Sistema semi-automático (Kilmurray, 1987) é interessante Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.15/18

17 Contatos Charles S. Ludovico Gabriel S. Albuquerque Gustavo Levin Lopes da Silva Atualmente em diversas posições na Petrobras Prof. José Paulo Vilela Soares da Cunha Departamento de Eletrônica e Telecomunicações (DETEL) Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) Telefones do DETEL: (0xx-21) e Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.16/18

18 Referências Coelho, L. C. G. e Nascimento, A. S. A. (2002), Manual do Programa SSTAB Versão 2.43, TeCGraf Grupo de Tecnologia em Computação Gráfica, Rio de Janeiro. Disponível em Fortes, R. M. e Cunha, J. P. V. S. (2006), Modelagem da dinâmica e experimentos com uma plataforma semi-submersível em escala reduzida, in Anais do XVI Congresso Brasileiro de Automática, Salvador BA, pp Fossen, T. I. (2002), Marine Control Systems: Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs, and Underwater Vehicles, Marine Cybernetics, Trondheim, Norway. Hock, C. J. and Balaban, E. G. (1984), Fault analysis of a semisubmersible s ballast control system, in Proc. 16th Annual Offshore Tech. Conf., Houston, Texas, pp Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.17/18

19 Referências Kilmurray, B. A. (1987), Balmoral: Floating production vessel integrated control system, in Proc. 19th Annual Offshore Tech. Conf., Houston, Texas, pp Klug, S. (1979), A control-system for an ultra-high-speed ballasting equipment, in Proc. 11th Annual Offshore Tech. Conf., Houston, Texas, pp Ludovico, C. S., Albuquerque, G. S. e Silva, G. L. L. (2007), Controle de lastro em sistemas marítmos de produção de óleo e gás, Monografia do Curso de Especialização em Automação Industrial UERJ, Rio de Janeiro. Disponível em Neto, A. C., Castanharo, C. A., Moraes, C. E. M. e Lopes, R. C. (2007), Ajuste e simulação de controladores de lastro de uma plataforma semi-submersível de pequenas dimensões, Monografia do Curso de Especialização em Automação Industrial UERJ, Rio de Janeiro. Disponível em Ludovico et alli ICAPETRO 2007 p.18/18