Esta dissertação estuda o controle multivariável de uma plataforma \"offshore\" típica. Com esse propósito, um modelo dinâmico rigoroso do processo não-linear foi desenvolvido e usado para representar o processo real nas simulações das estratégias de controle propostas. Baseado no modelo rigoroso e usando métodos de identificação, foram desenvolvidos modelos lineares aproximados para representar o processo no controlador preditivo (MPC). O sistema de controle foi projetado visando manter as variáveis controladas em valores adequados e reduzir o efeito de golfadas severas nos equipamentos à jusante da plataforma. Foram testados dois controladores preditivos: o MPC convencional que opera com \"setpoints\" fixos para as variáveis controladas e o controlador preditivo que opera com zonas para as variáveis controladas. Os resultados da simulação mostram que o controlador preditivo com controle por zonas é capaz de ter uma performance bem melhor que o controlador preditivo convencional, com uma significativa redução na amplitude das oscilações causadas pelas golfadas na vazão de petróleo na saída da plataforma. / This dissertation studies the multivariable control of a typical offshore platform. For this purpose, a rigorous nonlinear dynamic model of the process system is developed and used to represent the true process in the simulation of the proposed control strategies. Based on this rigorous model, approximate linear models are obtained through identification methods in order to represent the platform process in the Model Predictive Control (MPC). The control system was designed aimed at keeping all the controlled variables at adequate values and to reduce the effect of severe riser slugging on the downstream systems. Two model predictive controllers are tested: the conventional MPC with fixed set-points to the controlled outputs and the MPC with zone control of the outputs. The simulation results show that the controller based on the output zone control has a better performance than the conventional MPC with a significant reduction on the amplitude of the oscillation of oil flow at the outlet of the platform process.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-01-05T15:01:51Z No. of bitstreams: 1 2015_LúcioGomesNascimento.pdf: 2249464 bytes, checksum: fafa46e2083c147b160da6586473ec64 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-01-15T15:55:08Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_LúcioGomesNascimento.pdf: 2249464 bytes, checksum: fafa46e2083c147b160da6586473ec64 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-15T15:55:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_LúcioGomesNascimento.pdf: 2249464 bytes, checksum: fafa46e2083c147b160da6586473ec64 (MD5) / O padrão de escoamento das golfadas severas existentes em sistemas pipeline-riser acoplados a separadores submarinos do tipo VASPS, implementados na prospecção de petróleo offshore, é caracterizada por ser do tipo instável. Uma vez que este padrão apresenta flutuações na produção, o nível de líquido no interior do VASPS muda de acordo com a frequência de produção. Além disso, ele pode causar danos permanentes à bomba do tipo BCS (bomba centrífuga submersa) inserida no fluido, ou prejudicar a eficiência da separação, produção e ainda assim prejudicar o escoamento de gás derivado do escoamento multifásico do poço. São definidos dois critérios de estabilidade em função das transições nos padrões de escoamento característicos para a estabilidade ou não do sistema de separação e produção. São fixados valores constantes para a velocidade superficial de líquido (VSL) e para as razões de ar e água (RGO) a fim de serem analisados e estudados os padrões de escoamento de acordo com cada critério atendido (eliminação ou redução das golfadas severas) e, portanto, obter os pontos de operação ideais entre as vazões e as pressões características para a manutenção de escoamento permanente de acordo com o controle da válvula de estrangulamento e/ou controle na pressão do separador. Para cada valor fixado os resultados se comportam de maneira diferente em relação ao anterior, devido a mudança do escoamento ser significativa. A partir dos resultados podem ser obtidas as equações empíricas em função dos pontos de operação ideais para a estabilidade da separação e produção multifásica e finalmente poder acoplá-las ao controle do sistema através dos mecanismos existentes. / The flow pattern of the severe slugging in pipes coupled to subsea separators type VASPS, implemented on offshore oil drilling is unstable. Once this pattern features fluctuating flow in the production, the level of liquid within the present VASPS changes according to the frequency of production. Beyond this it may cause permanent damage to the pump type ESP (electrical submersible pump) inserted in the fluid, or impair the efficiency of production separation and yet it harm the derived gas of the multiphase flow from the well. Two criteria of stability are defined in terms of the transitions of the characteristics flow patterns in relation to the flow separation and the current production system. They are fixed constant values for the superficial liquid velocity (VSL) and the air-water ratios (RGO) to be analyzed and studied the flow patterns according to each criterion attended (elimination or reduction of severe slugging flow) and thus get optimum operating points between the characteristic pressures and the flow rates for maintaining permanent flow according to the control of the choke valve and/or through control the pressure in the separator. For each set values results behave differently in relation to the previous, because the change of the flow is significant. From the results one can obtain empirical equations as a function of the optimal operating points for the stability of the separation and the multiphase flow production, and finally to associate them to the control system via existing mechanisms.

Esta dissertação estuda o controle multivariável de uma plataforma \"offshore\" típica. Com esse propósito, um modelo dinâmico rigoroso do processo não-linear foi desenvolvido e usado para representar o processo real nas simulações das estratégias de controle propostas. Baseado no modelo rigoroso e usando métodos de identificação, foram desenvolvidos modelos lineares aproximados para representar o processo no controlador preditivo (MPC). O sistema de controle foi projetado visando manter as variáveis controladas em valores adequados e reduzir o efeito de golfadas severas nos equipamentos à jusante da plataforma. Foram testados dois controladores preditivos: o MPC convencional que opera com \"setpoints\" fixos para as variáveis controladas e o controlador preditivo que opera com zonas para as variáveis controladas. Os resultados da simulação mostram que o controlador preditivo com controle por zonas é capaz de ter uma performance bem melhor que o controlador preditivo convencional, com uma significativa redução na amplitude das oscilações causadas pelas golfadas na vazão de petróleo na saída da plataforma. / This dissertation studies the multivariable control of a typical offshore platform. For this purpose, a rigorous nonlinear dynamic model of the process system is developed and used to represent the true process in the simulation of the proposed control strategies. Based on this rigorous model, approximate linear models are obtained through identification methods in order to represent the platform process in the Model Predictive Control (MPC). The control system was designed aimed at keeping all the controlled variables at adequate values and to reduce the effect of severe riser slugging on the downstream systems. Two model predictive controllers are tested: the conventional MPC with fixed set-points to the controlled outputs and the MPC with zone control of the outputs. The simulation results show that the controller based on the output zone control has a better performance than the conventional MPC with a significant reduction on the amplitude of the oscillation of oil flow at the outlet of the platform process.

[pt] Um dos maiores desafios da produção de petróleo offshore é garantir um escoamento regular do reservatório até a unidade de processamento da produção. Entre os fenômenos que podem dificultar esta tarefa está o estabelecimento de um escoamento em golfadas no riser de produção, caracterizado por oscilações periódicas e de grande amplitude nas vazões do sistema, que diminuem a eficiência da planta de separação, sujeitam equipamentos a esforços cíclicos e causam graves descontroles de processo. Por esta razão, foram desenvolvidas nas últimas décadas diversas soluções que visam a evitar a formação das golfadas, ou ao menos, atenuar suas consequências. Entre as soluções mais promissoras estão os controladores que evitam a formação das golfadas através da manipulação ativa da válvula choke e os controladores que amortecem as golfadas nos vasos separadores da planta de processo. Neste trabalho, estas estratégias de controle são revisitadas sob a óptica do controle inteligente, possibilitando a obtenção de resultados fora do alcance dos controladores lineares. Além de um modelo computacional que descreve um sistema de produção do poço ao vaso separador, também foram desenvolvidos neste trabalho dois controladores inteligentes. O primeiro deles é um controlador anti-golfada de arquitetura híbrida Fuzzy-PID, que é capaz de suprimir as golfadas mesmo em sistemas desprovidos de medições submarinas e com válvula choke lenta. O segundo é um controlador amortecedor de golfadas fuzzy, otimizado por um algoritmo genético, com alta capacidade de atenuação das golfadas e capaz de manter o nível dentro de uma faixa considerada segura. Ambos os controladores são testados em diversos cenários e têm seus resultados comparados aos obtidos por controladores lineares. / [en] One of the major challenges of offshore oil production is to ensure a regular flow from the reservoir to the production processing unit. Among the phenomena that may hamper this task is the establishment of slug flow in the production riser, characterized by periodic oscillations of large amplitude in the system flow rates, which reduce the efficiency of the separation plant, subject equipment to cyclical fatigue and cause serious process instabilities. For this reason, several solutions that aim at avoiding the formation of slugs or, at least, mitigating their consequences have been developed in the last decades. Among the most promising solutions are controllers that prevent the formation of slugs by actively manipulating the choke valve and controllers that dampen the slugs in the vessels of the separation plant. In this work, these control strategies are revisited from perspective of intelligent control, allowing the obtainment of results beyond the reach of linear controllers. In addition to a computational model that comprises a production system from the well to the separation vessel, two intelligent controllers were developed in this work. One of them is a hybrid Fuzzy-PID anti-slug controller that is capable of suppressing slugs even in systems without submarine measurements available and with slow choke valve. The other one is a fuzzy slug damping controller, optimized by a genetic algorithm, with high slug attenuation capacity and able to maintain the level within a specified range. Both controllers are tested in several scenarios and have their results compared to those obtained by linear controllers.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GasparFDJ_DISSERT.pdf: 3388304 bytes, checksum: 086a8f61099f69978a8b9f477f351d24 (MD5) Previous issue date: 2014-01-23 / Petr?leo Brasileiro SA - PETROBRAS / Slugging is a well-known slugging phenomenon in multiphase flow, which may cause problems such as vibration in pipeline and high liquid level in the separator. It can be classified according to the place of its occurrence. The most severe, known as slugging in the riser, occurs in the vertical pipe which feeds the platform. Also known as severe slugging, it is capable of causing severe pressure fluctuations in the flow of the process, excessive vibration, flooding in separator tanks, limited production, nonscheduled stop of production, among other negative aspects that motivated the production of this work . A feasible solution to deal with this problem would be to design an effective method for the removal or reduction of the system, a controller. According to the literature, a conventional PID controller did not produce good results due to the high degree of nonlinearity of the process, fueling the development of advanced control techniques. Among these, the model predictive controller (MPC), where the control action results from the solution of an optimization problem, it is robust, can incorporate physical and /or security constraints. The objective of this work is to apply a non-conventional non-linear model predictive control technique to severe slugging, where the amount of liquid mass in the riser is controlled by the production valve and, indirectly, the oscillation of flow and pressure is suppressed, while looking for environmental and economic benefits. The proposed strategy is based on the use of the model linear approximations and repeatedly solving of a quadratic optimization problem, providing solutions that improve at each iteration. In the event where the convergence of this algorithm is satisfied, the predicted values of the process variables are the same as to those obtained by the original nonlinear model, ensuring that the constraints are satisfied for them along the prediction horizon. A mathematical model recently published in the literature, capable of representing characteristics of severe slugging in a real oil well, is used both for simulation and for the project of the proposed controller, whose performance is compared to a linear MPC / A golfada ? um regime inst?vel do fluxo multif?sico, com oscila??es de press?o e vaz?o abruptas no processo de produ??o de petr?leo, podendo ocasionar problemas tais como vibra??o na tubula??o e alto n?vel de l?quido nos separadores. Pode ser classificada de acordo com seu local de ocorr?ncia. A mais severa destas, conhecida como golfada no riser, ocorre na tubula??o vertical que alimenta a plataforma. Conhecida tamb?m como golfada severa, ela ? capaz de causar bruscas oscila??es na press?o, nas vaz?es do processo, vibra??o excessiva, inunda??o dos tanques separadores, produ??o limitada, parada n?o programada da plataforma, entre outros aspectos negativos que motivaram a produ??o deste trabalho. Uma solu??o vi?vel para lidar com tal problema seria projetar um m?todo efetivo para a remo??o ou diminui??o deste regime, como um controlador. De acordo com a literatura, o controlador convencional PID n?o apresenta bons resultados devido ao alto grau de n?o linearidade do processo, o que impulsionou o desenvolvimento de t?cnicas avan?adas de controle. Dentre estas, o controlador preditivo, cuja a??o de controle resulta da solu??o de um problema de otimiza??o, al?m de ser uma t?cnica que apresenta robustez e pode incorporar restri??es f?sicas e/ou de seguran?a. O objetivo deste trabalho ? estudar a aplica??o de uma t?cnica de controle preditivo n?o linear ao controle de golfada severa, visando controlar a quantidade de massa l?quida no riser atuando na v?lvula de produ??o e, indiretamente, suprimir as oscila??es de vaz?o e press?o. Com a finalidade de obter benef?cios ambientais e econ?micos. A t?cnica de controle preditivo proposta baseia-se no uso de aproxima??es lineares do modelo e na resolu??o repetida de um problema de otimiza??o quadr?tica que proporciona solu??es que melhoram a cada itera??o. No caso em que a converg?ncia desse algoritmo ? satisfeita, os valores preditos das vari?veis do processo s?o iguais ?queles que seriam obtidos pelo modelo n?o linear original, garantindo que as restri??es nessas vari?veis sejam satisfeitas ao longo do horizonte de predi??o. Um modelo matem?tico publicado recentemente na literatura, capaz de representar caracter?sticas da golfada severa em um po?o real, ? utilizado tanto para a simula??o, quanto para projeto do controlador proposto, cujo desempenho ? comparado ao de um controlador preditivo linear

Petróleo Brasileiro S.A. / O presente trabalho aborda o comportamento da planta de processamento primário com alimentação por fluxo em padrão de golfadas. O fluxo no sistema de tubulações é descrito por um modelo de parâmetros concentrados, fornecendo as características principais necessárias para o controle da planta, e a resposta dinâmica desta pode então ser analisada. Usando a estratégia de controle tradicional verifica-se que as oscilações de fluxo são transmitidas para as vazões de saída de líquido e gás, para obter uma vazão de saída mais estável é permitida a flutuação de carga no separador dentro de uma tolerância, isto é possível reduzindo a atuação do controlador e estabelecendo um controle adicional diretamente na válvula de entrada. / The present work addresses the behavior of a primary processing plant subjected to slug flow pattern at its entrance. The flow in a pipeline system is described by a simplified concentrated parameter model, which preserves the main physical features that are important to control the plant. The dynamic response of the plant is then analyzed. Using a standard control strategy for the gas liquid separator, it is seen that the flow oscillations are transmitted to the liquid and gas outlets. In order to obtain a more stable outlet flow, the liquid level in the separator is then allowed to fluctuate within a given range, by reducing the effect of the controller constants, and establishing an additional control directly on the inlet entrance valve.

Petróleo Brasileiro S.A. / O presente trabalho aborda o comportamento da planta de processamento primário com alimentação por fluxo em padrão de golfadas. O fluxo no sistema de tubulações é descrito por um modelo de parâmetros concentrados, fornecendo as características principais necessárias para o controle da planta, e a resposta dinâmica desta pode então ser analisada. Usando a estratégia de controle tradicional verifica-se que as oscilações de fluxo são transmitidas para as vazões de saída de líquido e gás, para obter uma vazão de saída mais estável é permitida a flutuação de carga no separador dentro de uma tolerância, isto é possível reduzindo a atuação do controlador e estabelecendo um controle adicional diretamente na válvula de entrada. / The present work addresses the behavior of a primary processing plant subjected to slug flow pattern at its entrance. The flow in a pipeline system is described by a simplified concentrated parameter model, which preserves the main physical features that are important to control the plant. The dynamic response of the plant is then analyzed. Using a standard control strategy for the gas liquid separator, it is seen that the flow oscillations are transmitted to the liquid and gas outlets. In order to obtain a more stable outlet flow, the liquid level in the separator is then allowed to fluctuate within a given range, by reducing the effect of the controller constants, and establishing an additional control directly on the inlet entrance valve.