ppgeas - programa de pós-graduação em engenharia de automação e sistemas

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

• Introdução a Medição Multifásica

• Caracterização do Problema

• Motivação

• Objetivos

• Teoria Eletromagnética e Permissividade

• Sensor

• Resultados Simulação

• Resultados Experimentais

• Conclusão

Conteúdo

• Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás• Escoamento Bifásico: Óleo e Água

Medição Multifásica INTRODUÇÃO

Bolha

Golfada

Transição

Nevoeiro

• Vazão Volumétrica:

• Vazão Mássica:


Água e Óleo:

Homogêneo:

Vazão Volumétrica: [m³/s]

Objetivo:


• Ocorre em todo processo produtivo

• Avaliar a Produção / Recuperação

Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

Medição Multifásica

• Longo tempo para estabilizar• São conectados a unidades Móveis• Grandes e Pesados• Manutenção

CARACTERIZAÇÃO

Medição Multifásica

• Todos Importados• Sistema de Medição Complexo– Custo elevado• $300.000,00 – topside• $500.000,00 – subsea

CARACTERIZAÇÃO

[Vx Technology - Schlumberger]



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

Medição Multifásica MOTIVAÇÃO

• Há uma tendência em automatizar campos produtores

• Métodos:– Separação total;– Sem separação;– Separação parcial.

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.



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

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.



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

Cavidades Ressonantes TEORIA

• Cúbicas ou Cilíndricas;• Frequência de Corte x Dimensões;• Infinitas Frequências Ressonantes;• Padrão de Campos:

Elétrico Magnético

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 = ?

Cavidades Ressonantes: Permissividade

Relação de Debye: Tempo de Relaxação:

TEORIA



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

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.

• EigenMode: Campos Eletromagnéticos– Um modo normal de vibração de um sistema oscilador

TE111

Simulação: HFSS SENSOR

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

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

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)



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

HFSS SIMULAÇÃO

• Excitação Modal (Driven Modal)– Atenuação de Tx Rx

Ressonâncias

Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

Estático EXPERIMENTO

Estático: Óleo Mineral EXPERIMENTO

Estático: Óleo Diesel EXPERIMENTO

Estático: HFSS x Diesel x Mineral EXPERIMENTO

Estático: Água Salgada (250 kppm – σ =25 S/m) EXPERIMENTO

Dinâmico

• Realizado em 2 etapas:– 20 litros de água– 20 litros de óleo

• Mistura homogênea

EXPERIMENTO

Dinâmico: Experimento 1 (passos 5%) EXPERIMENTO

Dinâmico: Experimento 2 EXPERIMENTO

Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático EXPERIMENTO

Dificuldades EXPERIMENTO

Futuro EXPERIMENTO



• Motivação

• Objetivos


• Sensor



• Conclusão

Conteúdo

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.

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.

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.

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).

Gerou as seguintes publicações

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

AGRADECIMENTOS

Laboratório de Circuitos Integrados

[email protected]

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