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Medidor de Fração de Água para Escoamento Bifásico (Água – Óleo) Utilizando Técnicas de
Micro-ondas e Cavidades Ressonantes
PPGEAS - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e SistemasUFSC - Universidade Federal de Santa Catarina
Eduardo ScussiatoOrientador: Daniel J. PaganoCo-orientador: Walter Carpes
30 Abril de 2010
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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• Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás• Escoamento Bifásico: Óleo e Água
Medição Multifásica INTRODUÇÃO
Bolha
Golfada
Transição
Nevoeiro
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• Vazão Volumétrica:
• Vazão Mássica:
Medição Multifásica INTRODUÇÃO
Água e Óleo:
Homogêneo:
Vazão Volumétrica: [m³/s]
Objetivo:
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Medição Multifásica INTRODUÇÃO
• Ocorre em todo processo produtivo
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• Avaliar a Produção / Recuperação
Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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Medição Multifásica
• Longo tempo para estabilizar• São conectados a unidades Móveis• Grandes e Pesados• Manutenção
CARACTERIZAÇÃO
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Medição Multifásica
• Todos Importados• Sistema de Medição Complexo– Custo elevado• $300.000,00 – topside• $500.000,00 – subsea
CARACTERIZAÇÃO
[Vx Technology - Schlumberger]
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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Medição Multifásica MOTIVAÇÃO
• Há uma tendência em automatizar campos produtores
• Métodos:– Separação total;– Sem separação;– Separação parcial.
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MOTIVAÇÃO
• Técnicas:– Capacitância e Resistência;– Atenuação Radioativa (Raio-X e Raio-Gamma);– Ultrassom;– Micro-ondas (Ondas Eletromagnéticas).
• Medidores por ondas eletromagnéticas:– Possibilitam a leitura das medições em tempo real;– Medem sem a separação das fases;– Medições instantâneas e contínuas;– Pequenos e leves;– Fácil instalação e manutenção.
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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OBJETIVOS
• Desenvolver um medidor de fração de água para escoamento de água e óleo por ondas eletromagnéticas em cavidade ressonante;
• Medição em dutos de forma não intrusiva;
• Baixo custo;
• Medição em ampla faixa de fração de água (0-100%);
• Estável e confiável;
• Parâmetros metrológicos adequados.
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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Cavidades Ressonantes TEORIA
• Cúbicas ou Cilíndricas;• Frequência de Corte x Dimensões;• Infinitas Frequências Ressonantes;• Padrão de Campos:
Elétrico Magnético
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Cavidade Ressonante: Cilíndrica TEORIA
• Frequência Ressonante
µ = Permeabilidade Magnética [N/A²](µ = µ0 µr ) µr = 1
Material εr
Ar 1
Petróleo 2,1
Óleo Mineral 2,3
Água doce 81
ε = Permissividade Elétrica [F/m](ε= ε0 εr) εr = ?
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Cavidades Ressonantes: Permissividade
Relação de Debye: Tempo de Relaxação:
TEORIA
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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Especificações SENSOR
• Frequência Operação: – ↑ Frequência ↓ Perdas ↓Diâmetro ↑ Custo
• 10GHz: Perdas Desaparecem Diâmetro Cavidade ≈ 1mm
– FrMáx. < 400 MHz;
• Mensurar em duto de 3”;• Não ser intrusivo;• Definir:– Modo propagação;– Excitação/Recuperação;– Dimensões da cavidade.
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• EigenMode: Campos Eletromagnéticos– Um modo normal de vibração de um sistema oscilador
TE111
Simulação: HFSS SENSOR
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Especificações - Dimensões SENSOR
• Cavidade 3” diâmetro– Água: Fr = 280 MHz
– Óleo: Fr = 1.735,0 MHz
– Δf = 1455,0 MHz
• Define-se: – Diâmetro=5” (a = 6,35cm) – d = 15cm
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Especificações - Brüggeman SENSOR
• Permissividade Equivalente: Brüggeman
• Mistura de água\óleoÁgua[%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
εr (Brüggeman) 2,1 5,3 10 15,8 22,8 30,6 39,3 48,7 58,9 69,6 81
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Especificações - Vão SENSOR
ARεrVão= εrA = 1
εrPVC=2,1
Brüggeman
εrSensor=1,09
Vão preenchido com ar
Água[%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
εr (Equivalente) 1,68 3,36 5,75 8,7 12,18 16,11 20,45 25,17 30,23 35,63 41,31
Fr. [MHz] 1316 932 712 579 489 425 378 340 311 286 266
Vão preenchido com águaÁgua[%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
εr (Equivalente) 36,0 38,2 41,2 44,8 48,6 52,6 56,8 60,9 65,0 69,3 76,4
Fr. [MHz] 285 276 266 255 245 235 227 219 219 205 195
ÁGUAεrVão= εrW = 81
εrPVC=2,1
Brüggeman
εrSensor=68,84
Água (Δfr=90MHz)Ar (Δfr=1050MHz)
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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HFSS SIMULAÇÃO
• Excitação Modal (Driven Modal)– Atenuação de Tx Rx
Ressonâncias
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Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO
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Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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Estático EXPERIMENTO
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Estático: Óleo Mineral EXPERIMENTO
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Estático: Óleo Diesel EXPERIMENTO
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Estático: HFSS x Diesel x Mineral EXPERIMENTO
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Estático: Água Salgada (250 kppm – σ =25 S/m) EXPERIMENTO
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Dinâmico
• Realizado em 2 etapas:– 20 litros de água– 20 litros de óleo
• Mistura homogênea
EXPERIMENTO
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Dinâmico: Experimento 1 (passos 5%) EXPERIMENTO
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Dinâmico: Experimento 2 EXPERIMENTO
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Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático EXPERIMENTO
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Dificuldades EXPERIMENTO
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Futuro EXPERIMENTO
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Conteúdo
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CONCLUSÃO
• Micro-ondas em cavidades ressonantes:– Medição da fração de água em dutos;– Medição não intrusiva:• Protege as antenas;• Não provoca queda de pressão na linha;• Permite limpeza/enceramento de dutos.
– Medição em ampla faixa de fração de água:• Combustíveis;• Tratamento de água;• Produção de petróleo.
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CONCLUSÃO
• Resultados de simulação e experimentos:– Simulação de caso ideal: Ɛrw=81 e Ɛro=2,1;– Experimento: • Presença de impurezas na água;• Presença de aditivo no óleo;• Bomba monofásica;• Bolhas de ar fluindo na mistura;• Variação de temperatura;• Erros de medições:
– Dimensões da cavidade;– Diferenças nos volumes das amostras.
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CONCLUSÃO
• Experimento com água saturada de sal– Mantêm a ressonância e o principio de funcionamento;– Elevadas perdas (σ ≈ 25 S/m);– Reduz a penetração das ondas EM;– Reduz o fator de qualidade;– Eleva os erros de medição.
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CONCLUSÃO
– Desenvolvimento de um medidor de fração de água para escoamento bifásico (água e óleo) utilizando técnicas de micro-ondas em cavidade ressonante. 5º Congresso Brasileiro de PD em Petróleo e Gás, 2009, Fortaleza/CE.
– Development of water cut sensor for two fase (oil and Water) flow in pipeline by microwave in resonator cavity. ESSS South American Ansys User
Conference, 2009, Florianopolis/SC;
– Medidor de fração de água para aplicações de controle e automação da produção de poços de petróleo. Rio Oil and Gas, 2010, Rio de Janeiro/RJ, (submetido);
– Medidor eletromagnético de fração de água para escoamento bifásico de água e óleo. XVIII Congresso Brasileiro de Automática - CBA, 2010, Bonito/MS, (submetido).
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CONCLUSÃO
– Estudo do modo TM010 e comparar com o modo TE111;
– Desenvolvimento de um sistema eletrônico de processamento de sinal;
– Inclusão de sensores de temperatura e de salinidade;
– Medição da velocidade média dos fluídos;
– Realização de experimentos dinâmicos com diferentes padrões de escoamentos;
– Estudo para avaliar o monitoramento das três primeiras ressonâncias;
– Utilização de medições distribuídas (tomógrafo) para caracterizar os tipos de escoamento;
– Levantamento dos parâmetros metrológicos do sensor.
Direções para trabalhos futuros