Estabilização da produção de petróleo em sistemas gas-lift através do ajuste simples e eficiente de controladores PIDs

Abstract

O petróleo é uma fonte energética que possui grande demanda no Brasil e no mundo. A produção de petróleo, contudo, possui diferentes desafios dependendo da localização em que a mesma ocorre. No Brasil, 94% dessa produção é realizada em ambiente offshore. Nesse ambiente, problemas característicos conhecidos como golfadas são recorrentes, afetando a estabilidade da produção do petróleo e diminuindo a mesma. A utilização do controle automático, como o uso de controladores PIDs, é uma solução bastante estudada para eliminação das golfadas, porém, para estes sistemas os métodos de sintonia de controladores PIDs disponíveis na literatura fornecem controladores com baixo desempenho. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho é estabilizar a produção de petróleo em sistemas gas-lift através da proposição de regras de ajuste simples e eficientes de controladores PIDs. Para isso, foi desenvolvido um novo método de sintonia para plantas altamente subamortecidas (ζ ∈ [0, 0,1]), e, posteriormente, o mesmo foi validado para um conjunto de 15000 plantas lineares diferentes, representadas por Funções de Transferência de segunda ordem com tempo morto. O novo método proposto fornece um bom compromisso entre desempenho e robustez, no qual é sugerida, para uma mesma planta, uma faixa de valores de ganho do controlador, em que o valor da Máxima Sensibilidade da malha fechada é restringido entre 1,2 e 2,2 na média. Além disso, o novo método pode ser aplicado para controladores PIDs na forma paralela e série, pois a sintonia proposta introduz os zeros do controlador no eixo real, baseado numa análise do lugar das raízes. Na análise da estabilização da produção de petróleo, foi utilizado o modelo Fast Offshore Well Model e foi possível estabilizar a produção de petróleo, assim como aumentar a produção em até 52% em relação a máxima produção obtida em malha aberta. O método de sintonia também foi avaliado em relação a sensibilidade a presença de ruído de medição e, a partir disso, foi definida uma faixa de valores recomendados para o fator proporcional ao tempo derivativo do filtro de primeira ordem (N) que deve ser entre 3 a 5, faixa na qual obtém-se um bom desempenho e esforço de controle em relação ao melhor desempenho e esforço de controle que poderia ser obtido para o mesmo processo sem ruído.

Petroleum is an energy source that has a great demand in Brazil and across the world, even though its production has different challenges that depend on the location that the production occurs. In Brazil, 94% of the oil production is accomplished offshore. In this case, the stability of oil production is often affected by a typical problem called slugging, decreasing the productivity. The use of automatic control with PID controllers, for example, is a commonly studied solution for slugging suppression. Nevertheless, for these systems, the tuning rules of PIDs controllers described in literature exhibit poor performance. Therefore, the focus of this paper is to stabilize the oil production in gas-lift systems through the proposition of simple and efficient tuning rules for PID controllers. The new tuning rules were developed for highly underdamped systems (ζ ∈ [0, 0,1]) and were tested on 15000 different linear plants represented by second order with pure time delay Transfer Functions. These rules provide a good compromise between performance and robustness. It is suggested, for the same system, a range of controller gain values in which the closed loop Maximal Sensitivity is restricted between 1.2 and 2.2 on average. Besides that, the new tuning rules can be applied to PID controllers in parallel and series form because they introduce the zeros of the controller on the real axis, it based on root locus analysis. In the analysis of the stabilization of oil production, it was used the Fast Offshore Well Model and it was possible to stabilize the production as well as increase it up to 52% compared to the maximum production obtained in open loop. The tuning rules were also evaluated for sensitivity to the presence of measurement noise and, therefore, it was defined a range of values recommended for the first-order filter proportion factor of the time constant (N) which should be between 3 and 5. In this range, good performance and control effort were obtained compared to the best performance and control effort that could be obtained for the same process without noise.