A obra Modelagem e controle na produção de petróleo - aplicações em MATLAB tem um blending raramente encontrado nos livros tradicionais sobre Controle de Processos. Ele combina a teoria de controle clássico, usualmente apresentada em livros de graduação em engenharia, com uma série de problemas práticos da área de processos de produção de petróleo e gás. Esses problemas não somente são apresentados em detalhes, como também são resolvidos dentro de um enfoque em que as soluções apresentadas possam ser implementadas em sistemas reais. Além disso, esta obra tem o aspecto inédito de apresentar e analisar, de forma rigorosa, os problemas reais que afetam os sistemas de controle de plataformas de petróleo voltadas para a produção em águas profundas - certamente, um dos temas mais desafiadores que serão enfrentados pelos engenheiros de controle nas próximas décadas.
Conteúdo
INTRODUÇÃO
1 - INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE PROCESSOS DE PLANTAS OFFSHORE
1.1. Descrição da Planta de Processamento Primário Offshore
2 - MODELAGEM DE PROCESSOS
2.1. Classificação dos Modelos de Processos
2.2. Modelagem Simplificada do Separador Bifásico
2.3. Linearização de Sistemas Não Lineares
2.4. Modelagem Simplificada do Tratador Eletrostático
2.5. Modelagem Simplificada do Separador Trifásico5
Exercícios Propostos
3 - PONTOS ESTACIONÁRIOS DE OPERAÇÃO
3.1. Pontos de Equilíbrio
3.2. Pontos de Equilíbrio de Sistemas Lineares e Plano de Fase
3.3. Sistemas Não Lineares na Vizinhança de Pontos de Equilíbrio
3.4. Análise de Ponto de Equilíbrio por Técnica de Linearização
Exercícios Propostos
4 - RESOLUÇÃO DE EQUAÇÕES DIFERENCIAIS LINEARES POR TRANSFORMADA DE LAPLACE
4.1. Transformada de Laplace de Funções Básicas
4.2. Propriedades e Teoremas da Transformada de Laplace
4.3. Inversão de Transformadas de Laplace
Exercícios Propostos
5 - REPRESENTAÇÃO ENTRADA-SAÍDA - FUNÇÕES DE TRANSFERÊNCIA
5.1. Funções de Transferência
5.2. Resolução de Sistemas Lineares
5.2.1. Diagrama de blocos
Exercícios Propostos
6 - RESPOSTAS DINÂMICAS
6.1. Resposta Dinâmica de Processos Lineares de 1a Ordem
6.1.1. Resposta de um sistema de 1a ordem a uma perturbação degrau
6.1.2. Resposta de um sistema de 1a ordem a uma perturbação rampa
6.1.3. Resposta de um sistema de 1a ordem a uma perturbação senoidal
6.2. Resposta Dinâmica de Processos de 2a Ordem
6.2.1. Resposta de um sistema de 2a ordem a uma perturbação degrau
6.2.2. Resposta de um sistema de 2a ordem a uma perturbação senoidal
6.3. Resposta Dinâmica de Processos de Ordem Superior08
6.3.1. Sistemas multicapacitivos
6.3.2. Tempo morto
6.4. Aproximação de Sistemas de Ordem Superior
6.5. Sistemas com Resposta Inversa
Exercícios Propostos
7 - ESTABILIDADE DE SISTEMAS DINÂMICOS
7.1. Critério de Estabilidade de Routh-Hurwitz
7.2. Método da Substituição Direta
Exercícios Propostos
8 - PROJETO DE MALHAS DE CONTROLE
8.1. Malha de Controle Feedback
8.2. Ações do Controlador PID
8.3. Sintonia de Controlador PID
8.3.1. Método da sensibilidade limite (método do ganho limite)
8.3.2. Método da curva de reação
8.3.3. Método Cohen-Coon
8.3.4. Método de sintonia Aström-Hagglund
8.3.5. Sintonia pela "regra simples" de Skogestad
8.3.6. Parametrizações de algoritmos PIDs
8.3.7. Sumário das correlações de sintonia
8.4. Sintonia de Controlador Baseada em Resposta Transiente
8.4.1. Correlações de sintonia para mínimo ITAE
8.5. Síntese Direta de Controladores
8.5.1. Controlador PI
8.5.2. Processo com tempo morto
8.5.3. Correlações de sintonia por síntese direta, para controle regulatório
8.6. Controle por Modelo Interno
8.6.1. Correlações de sintonia IMC
8.7. Comparação Síntese Direta - IMC
8.8. Versão Discreta vs Versão Contínua
8.9. Controladores Comerciais
Exercícios Propostos
9 - RESPOSTA EM FREQUÊNCIA
9.1. Resposta em Frequência de um Sistema de 1a Ordem
9.2. Resposta em Frequência de um Sistema de 2a Ordem
9.3. Resposta em Frequência de Processo com Tempo Morto
9.4. Resposta em Frequência de um Processo Puramente Capacitivo
9.5. Sintonia de Controladores PID Baseada na Resposta em Frequência
9.5.1. Controlador proporcional
9.5.2. Controlador PI
9.5.3. Controlador PD
9.5.4. Controlador PID ideal
9.6. Critério de Estabilidade de Bodé
9.7. Critério de Estabilidade de Nyquist
9.8. Margem de Ganho e Margem de Fase
9.9. Projeto de Controladores no Domínio da Frequência
9.9.1. Margem de ganho e margem de fase de malhas de controle
Exercícios Propostos
10 - DINÂMICA DE RESPOSTA - PID
10.1. Efeito do Controlador Proporcional, sob Perturbação de Carga
10.2. Efeito do Controlador PI, sob Perturbação de Carga
10.3. Análise do Sinal de Erro
Exercícios Propostos
11 - ESTRUTURAS DE CONTROLE AVANÇADO
11.1. Controle em Cascata
11.1.1. Resposta dinâmica de controle cascata
11.2. Controle Feedforward
11.2.1. Comparaçã feedback e feedforward
11.2.2. Projeto de controladores feedforward16
11.2.3. Unidades lead-lag (LL)
11.2.4. Lead-lag com tempo morto como controlador feedforward
11.2.5. Estabilidade do arranjo feedback/feedforward
11.3. Controle Seletivo e Controle Override
11.3.1. Controle seletivo
11.3.2. Controle override
11.4. Controle Split Range
11.5. Controle Multivariável
11.5.1. Método de análise de interaçã matriz RGA
11.5.2. Efeito retaliatório em sistemas multivariáveis
11.5.3. Desacopladores
Exercícios Propostos
12 - CONTROLE DE NÍVEL DE SEPARADORES
12.1. Controle de Inventário
12.2. Controle por Bandas
12.3. Controladores: P, P-Lag e PI
12.4. Sintonia com Transição Suave
Exercícios Propostos
13 - MODELAGEM DE EQUIPAMENTOS DE TRATAMENTO DE ÓLEO E ÁGUA
13.1. Separadores Bifásicos
13.1.1. Balanços de massa do separador bifásico
13.1.2. Equações de válvulas
13.1.3. Relações geométricas
13.1.4. Modelo linearizado de separador bifásico
13.2. Tratadores Eletrostáticos
13.2.1. Eficiência de separação
13.2.2. Balanço de massa do tratador eletrostático
13.2.3. Relações geométricas
13.2.4. Equações de vazão
13.3. Separadores Trifásicos
13.3.1. Modelagem do escoamento em separadores trifásicos
13.3.2. Separação das dispersões
13.3.3. Estabilidade de emulsões
13.3.4. Balanços de massa para separador trifásico
13.3.5. Relações geométricas de separador trifásico
13.3.6. Equações de vazão
13.3.7. Correlação para TOG de água descartada pelo separador trifásico
13.4. Hidrociclones De-oilers
13.4.1. Modelagem do escoamento em hidrociclone
13.4.2. Separação da emulsão em hidrociclone
13.4.3. Correlações para eficiência de hidrociclone
13.4.4. Controle de hidrociclones
13.5. Flotadores
Exercícios Propostos
14 - ASPECTOS DINÂMICOS DE SISTEMAS DE PRODUÇÃO OFFSHORE
14.1. Introdução aos Sistemas de Produção Offshore
14.1.1. Regimes clássicos de escoamento bifásico
14.1.2. Escoamento multifásico com golfadas severas
14.2. Elevação de Óleo via Processo Gas-Lift
14.2.1. Modelo SGL para sistemas Gas-Lift
14.2.2. Modelo SGL modificado .
14.2.3. Resolução numérica: código executável SGL
14.2.4. Simulação dinâmica Gas-Lift com modelo SGL modificad caso base
14.2.5. Estudo de sensibilidade da resposta dinâmica Gas-Lift
Exercício Proposto
15 - ESCOAMENTO EM RISERS E LINHAS DE PRODUÇÃO OFFSHORE
15.1. Escoamento Bifásico Estratificado
15.1.1. Relações geométricas para escoamento estratificado em duto cilíndrico inclinado
15.1.2. Velocidades superficiais de escoamento de gás e líquido
15.1.3. Balandos de momentum em cada fase
15.1.4. Equação Taitel-Dukler para escoamento estratificado em regime estacionário
15.1.5. Simplificação da equação Taitel-Dukler para baixa velocidade superficial de gás
15.1.6. Resolução da equação Taitel-Dukler para velocidades superficiais conhecidas
15.2. Transição de escoamento bifásico estratificado, para escoamento bifásico intermitente
15.3. Curva de BOE para limite de intermitência severa em Risers
15.5. Resultados TEI e BOE para o caso base 15.4
15.6. Limite de estabilidade para a não ocorrência de golfadas severas em Risers
15.7. Limite de estabilidade de fluxo em Risers
15.8. Conclusões
Exercício proposto
REFERÊNCIAS
Giovani Cavalcanti Nunes
É Engenheiro Químico pela Universidade Estadual do Rio de Janeiro (1986), mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1994) e doutor em Engenharia Química pela University of Florida (2000). Ingressou na Petrobras em 1987, como Engenheiro de Processamento. Desde então, atua em projeto e pesquisa de processos e unidades de produção de petróleo para o E&P. Tem experiência no desenvolvimento e na implementação de tecnologias de processamento e algoritmos de controle de processos em sistemas de separação gravitacional, separação ciclônica, tratamento eletrostático e processamento de gás. Atualmente é gerente corporativo de processamento e medição de fluidos do E&P.
José Luiz de Medeiros
é Engenheiro Químico pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1980), mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1982) e doutor em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1990). Atualmente é Professor Adjunto na Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Tem experiência em vários setores da Engenharia Química, com ênfase em Petróleo e Petroquímica, atuando principalmente nas seguintes disciplinas e linhas de pesquisa: Termodinâmica Aplicada; Processos de Separação; Modelagem, Simulação e Otimização de Processos Químicos; Estatística Aplicada.
Ofélia de Queiroz Fernandes Araújo
é Engenheira Química formada pela Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro, MSc e PhD em Engenharia Química pela University of Illinois at Urbana Champaign, EUA (1984 e 1987, respectivamente). Atualmente é professora da Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro, e Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos (2007-2010). Suas linhas de pesquisa comunicam-se pela abordagem de Modelagem e Controle, contemplando Produção, Transporte e Refino de Petróleo, Captura e Reuso químico e bioquímico de CO2 e Engenharia Verde.