Modelagem matemática do ciclo de água de aquecimento em uma plataforma de petróleo

Abstract

Os avanços da Indústria de Óleo e Gás são intimamente relacionados ao desenvolvimento de novas tecnologias de detecção, exploração e processamento do petróleo. A Engenharia de Sistemas em Processos utiliza a modelagem matemática e computacional para simulação, projeto, monitoramento, controle e otimização de processos. Neste contexto, os Gêmeos Digitais se apresentam como uma das principais estratégias tecnológicas estudadas e aplicadas na Indústria Química 4.0. O desenvolvimento de um perfil digital que replica o comportamento de um processo físico possibilita a tomada de decisão baseada em dados mais precisos. Além de permitir a aplicação de estratégias de controle e de mudanças operacionais devido ao fluxo em tempo real de dados entre o físico e o digital. Este trabalho tem como objetivo geral o estudo da modelagem matemática do ciclo de água de aquecimento em uma plataforma de petróleo offshore. Este ciclo é responsável por garantir as condições térmicas de operação de 7 subunidades consumidoras e apresenta grande impacto nos demais sistemas presentes na plataforma: no de processamento do óleo e no de recuperação da sílica usada na adsorção de umidade, por exemplo. A partir do entendimento da operação deste sistema de utilidade, foi realizada a validação do modelo e a análise de sensibilidade. As simulações realizadas em linguagem Modelica e na interface OpenModelica apresentaram resultados compatíveis com os dados de projeto, sendo seu melhor desempenho no cenário de Maximum Duty - no qual apresentou o desvio absoluto percentual máximo de 2%. Assim, o modelo foi considerado adequado na representação do comportamento em estado estacionário dos trocadores de calor. A análise de sensibilidade individual do trocador principal do sistema de processamento de óleo identificou as duas principais variáveis de impacto no controle da temperatura de saída da corrente fria: a temperatura da corrente de entrada fria do óleo e a temperatura da corrente de entrada da água quente de utilidade. Foi analisado também o impacto da variação da temperatura de entrada da água de aquecimento no ciclo completo, que apresentou resposta proporcional direta relevante para os trocadores do sistema de processamento de óleo e desprezível para o trocador do sistema de desidratação do gás. Os resultados obtidos neste trabalho configuram o primeiro passo para o desenvolvimento de um Gêmeo Digital do ciclo de água quente de aquecimento da plataforma estudada para análises e predições do comportamento em tempo real da planta.

Advances in the Oil and Gas Industry are related to the development of new technologies for detection, exploration, and processing of oil. Process System Engineering uses mathematical and computational modeling for process simulation, design, monitoring, control, and optimization. In this context, Digital Twins are considered one of the main technological strategies being studied and applied in the Chemical Industry 4.0. The development of a digital model that replicates the behavior of a physical process allows the decision-making process to be based on more accurate data. Digital Twins also allow the application of control strategies and operational changes due to the real-time flow of data between the physical-digital. Thus, this work has the general objective of studying the mathematical modeling of a heating water cycle of an offshore platform. The model written in Modelica programming language was validated and the sensitivity analysis was performed. The simulations in OpenModelica presented results that were compatible with the thermal report data of the heat exchangers – the best performance was detected when simulated in maximum duty, presenting a maximum deviation of 2%. Therefore, the model was considered an adequate representation of the system in steady state. The sensitivity analysis showed that the variations in the temperature of the hot water inlet stream have a direct proportional impact on the cold outlet streams of the oil processing system’s heat exchangers, but little impact on the GDU system heat exchanger’s cold stream. The results obtained in this work are the first step in the process of developing the heating water cycle’s Digital Twin.