Análise de desempenho estático e dinâmico de um atuador eletro-hidráulico para águas profundas

Abstract

A operação de produção de petróleo está sendo realizada cada vez mais distante da costa e, consequentemente, em profundidades maiores. Tal fator demanda sistemas confiáveis, energeticamente eficientes e com custos atrativos. O objetivo deste trabalho é analisar, por meio de um modelo matemático, o desempenho dinâmico de um Atuador Eletro-Hidráulico Submarino, o qual possui uma Unidade de Potência Hidráulica integrada. Este sistema foi projetado para realizar abertura e fechamento de uma válvula gaveta instalada em uma Árvore de Natal Molhada, a qual deve ser capaz de operar a uma profundidade entre os 2.500 e 3.300 metros. O modelo do sistema hidráulico e os controladores são implementados no software de simulação Simster, que apresenta modelos matemáticos prontos dos componentes necessários para construção e controle de um sistema hidráulico. Em MATLAB Simulink é implementado um modelo para representar as forças que atuam na válvula gaveta: o efeito da pressão devido à coluna de água e a queda de pressão ao longo do duto de escoamento do fluido de produção. As duas simulações são executadas simultaneamente, de modo que o comportamento do sistema seja avaliado. Os parâmetros observados são: as pressões nas câmaras do cilindro hidráulico, o tempo de resposta para realização das funções da válvula gaveta, a capacidade de posicionamento do sistema de atuação e o consumo de energia do sistema. O atuador apresenta um baixo consumo de energia para abertura e fechamento da válvula gaveta, uma vez que utiliza um sistema hidráulico com bomba de velocidade variável. Além disso, esta solução permite uma curva suave de aceleração e desaceleração do atuador, pois evita picos de pressão dentro do circuito hidráulico. Os resultados mostram que o tempo para abrir ou fechar a válvula gaveta é inferior a 60 segundos, o que é uma condição segura para válvulas com diâmetro de 2 1/16\". As simulações também indicam que os momentos críticos para o atuador são: o início da abertura e o fim do fechamento da válvula gaveta. Isso se deve ao aumento da diferença de pressão através da válvula, o que resulta em uma grande força de arrasto na superfície superior da válvula. As conclusões sobre o desempenho do sistema, o consumo energético e os benefícios da arquitetura avaliada são apresentados neste documento.

Abstract : The oil production has been operating farther away from the coast and consequently at greater depths. These factors demand reliable, safety and energy efficient systems with attractive costs. The objective of this work is to analyze the dynamic performance of a Subsea Electro-Hydraulic Actuator that has an integrated Hydraulic Power Unit. This system is designed to operate on Wet Christmas Tree that is capable of operating at a depth between 2,500 and 3,300 meters. A mathematical model is developed to evaluate the performance of the system in cosimulation. The hydraulic system model and controllers are implemented in Simster simulation software. A model representing the forces acting on the gate valve, the effect of the pressure due to the water column, and the pressure drop along the oil duct are modelled in MATLAB Simulink. The two simulations are executed simultaneously in order to evaluate the system behavior. The observed parameters are the pressures in the chambers of the hydraulic cylinder, the response time to perform the functions for the gate valve, the positioning ability of the actuation system and the energy consumption of the system. The electro-hydraulic actuator connected to an HPU has low power consumption for opening and closing of the gate valve, since it uses a hydraulic system with variable speed pump. In addition, this allows a smooth curve of acceleration and deceleration of the actuator, as it avoids peaks of pressure inside the hydraulic circuit. The results also show that the time to open or close the gate valve is less than 60 seconds, which is a safe condition for gate valves with 2 1/16\" diameter. Simulations also indicate that the most critical conditions for the actuator are the begin of the opening and the end of the closing of the gate valve. This is due to the increase of the pressure difference through the valve that results in a large force on the upper surface of the valve. Conclusions about the system performance, energy consumption and other advantages of the system architecture are presented in the document.