IO-CAD e algoritmos adaptativos : novas ferramentas para auditoria e diagnóstico de malhas de controle, estimação de vida útil e monitoramento de unidades offshore

Abstract

Este trabalho apresenta soluções inovadoras para monitorar processos industriais em diversos setores, como a indústria química, petroquímica e de óleo e gás. As três principais áreas de foco são: auditoria e diagnóstico de malhas de controle, estimativa de vida útil remanescente de equipamentos em processos cíclicos e monitoramento e otimização de Unidades Offshore de Desidratação do Gás Natural. Na primeira área, é abordada a auditoria e diagnóstico de malhas de controle, especificamente a detecção antecipada de golfadas em produção de petróleo offshore, visando aumentar a produção e o lucro das empresas. Para isso, o trabalho propõe uma nova técnica utilizando o Diagrama de Autocorrelação Cruzada Entrada-Saída (IO-CAD, do inglês Input-Output Cross Autocorrelation Diagram). Esta técnica foi validada em um estudo de caso com dados reais e dados simulados de produção de petróleo offshore bem como malhas de controle genéricas simuladas, comprovando sua eficácia na auditoria e diagnóstico de malhas de controle. A segunda área abordada envolve a estimativa de vida útil remanescente de equipamentos, sendo crucial para prevenir falhas e programar a manutenção. Com este objetivo, o trabalho apresenta uma nova metodologia para estimar o número de ciclos remanescentes. Este método permite o ajuste de diferentes modelos, atualizando seus parâmetros se necessário, para prever os ciclos restantes com precisão. Este algoritmo possui como vantagem o seu baixo custo computacional e sua aplicabilidade para funções lineares e não lineares. A metodologia foi validada em uma Unidade Offshore de Desidratação do Gás Natural, demonstrando sua eficiência na estimativa de vida útil remanescente de leitos fixos de adsorção. Na terceira área, o trabalho propõe um ambiente digital para monitorar o desempenho na indústria petroquímica. A metodologia utiliza uma abordagem Bayesiana conhecida da literatura e regressão robusta com o algoritmo proposto na segunda área de foco deste trabalho para determinar a vida útil remanescente do adsorvente em leitos fixos. Um balanço de massa em leitos fixos fornece informações valiosas do processo, como o volume de água adsorvida, medida determinante para avaliar o desempenho da unidade. As metodologias propostas foram integradas com sucesso em um dashboard de monitoramento em tempo real de uma planta de petróleo e gás brasileira. Os benefícios apresentados neste trabalho são: auditoria e diagnóstico de malhas de controle, aumento da produção e do lucro, redução de custos com manutenção, prevenção de falhas com paradas não planejadas, melhoria da segurança e confiabilidade dos processos, maior eficiência energética e sustentabilidade.

This work presents innovative solutions to monitor industrial processes across various sectors, including the chemical, petrochemical, and oil and gas industries. The three focus areas are: control loop assessment and diagnostics, estimation of the remaining useful life of equipment in cyclic processes, and monitoring and optimizing Offshore Natural Gas Dehydration Units. The first area addresses control loop assessment and diagnostics, specifically the early detection of slugging in offshore oil production, aiming to increase production and maximize company profits. To achieve this, the study proposes a novel technique using the Input-Output Cross Autocorrelation Diagram (IO-CAD). This technique was validated through a case study involving actual and simulated offshore oil production data, as well as simulated generic control loops, proving its effectiveness in assessing and diagnosing control loops. The second area involves estimating the remaining useful life of equipment, which is crucial for preventing failures and programming maintenance. To this end, the work introduces a new methodology for estimating the number of remaining cycles. This method allows for the fitting of different models, updating their parameters as needed, to accurately predict the remaining cycles. A key advantage of this algorithm is its low computational cost and its applicability to both linear and nonlinear functions. The methodology was validated in an Offshore Natural Gas Dehydration Unit, demonstrating its efficiency in estimating the remaining useful life of fixed-bed adsorption systems. In the third area, the study proposes a digital environment for monitoring performance in the petrochemical industry. The methodology employs a well-known Bayesian approach from the literature, combined with robust regression using the algorithm proposed in the second focus area of this work, to determine the remaining useful life of the adsorbent in fixed beds. A mass balance in fixed beds provides valuable process insights, such as the volume of adsorbed water – a key metric for evaluating unit performance. The proposed methodologies were successfully integrated into a real-time monitoring dashboard for a Brazilian oil and gas plant. The benefits presented in this work include control loop assessment and diagnostics, increased production and profitability, reduced maintenance costs, prevention of failures and unplanned shutdowns, improved process safety and reliability, enhanced energy efficiency, and greater sustainability.