Otimização da Detecção da Interface Água-Petróleo em Tanques Trifásicos por Fibras Ópticas

May 31, 2017 | Autor: Eduardo Fontana | Categoria: Sensors and Sensing, Photonics, Optical Instrumentation
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Otimização da Detecção da Interface Água-Petróleo em Tanques Trifásicos por Fibras Ópticas Raoni de Freitas Góis; Gustavo Oliveira Cavalcanti; Marcílio André Félix Feitosa EscolaPolitécnica de Pernambuco, POLI Universidade de Pernambuco, UPE Recife, Brasil [email protected]

Resumo—O presente trabalho apresenta o projeto de um sistema óptico para medição do nível da interface água-petróleo em tanques separadores trifásicos. Como os meios envolvidos na interface possuem diferentes índices de refração, a interface pode ser detectada pela medição da radiação refletida na ponta de uma fibra polida quando a fibra passa de um meio para o outro. Utilizando dados experimentais, encontrados na literatura, foram determinados os índices de refração complexos em função do comprimento de onda de dois tipos de óleo, o Petrobaltic e o Romashkino. Os índices complexos foram empregados na determinação do comprimento de onda com maior sensibilidade de detecção e nos cálculos das correntes geradas nos fotodetectores utilizados no sistema. Palavras chaves — tanques de petróleo; água; fibra óptica; reflexão; detecção de interface.

I. INTRODUÇÃO O petróleo e seus derivados são partes integrantes da economia e sociedade moderna. Segundo a Organização dos Países Exportadores de Petróleo [1], em 2015, a demanda mundial média foi de 92,9 milhões de barris por dia. O petróleo, ou óleo cru, é o termo utilizado para se referir a qualquer mistura rica em hidrocarbonetos acumulada em reservas subterrâneas. Além disso, o petróleo extraído costuma apresentar inúmeras impurezas, que podem prejudicar seu processo de refino [2].

Eduardo Fontana Departamento de Eletrônica e Sistemas, DES Universidade Federal de Pernambuco, UFPE Recife, Brasil [email protected]

O gás, mais leve, é extraído através de uma válvula de pressão VG situada no topo do vaso, conforme ilustrado na Fig.1. A água, mais densa, é drenada, juntamente com alguns rejeitos sólidos precipitados, através de uma válvula de controle de nível de interface VA. O óleo, por sua vez, é vertido em uma altura intermediária e é retirado do tanque através de uma válvula específica VO. O vaso separador trifásico, ilustrado na Fig.1 e estudado neste trabalho, possui um volume de 120 m3 [4]. No processo de separação a entrada do fluido é constante. Entretanto, o volume de água presente no petróleo extraído é variável.Assim, é necessário controlar o nível da interface água-óleo para que elepermaneça dentro dos limites operacionais. Esse nível é medido pelo medidor M, ilustrado na Fig.1. Desta forma, a capacidade de monitoramento da interface água-óleo está diretamente ligada à produtividade do vaso separador. O presente trabalho apresenta uma proposta de sensor óptico para medição do nível da interface água-óleo, baseado em reflexão na ponta de uma fibra polida. Empregando dados experimentais listados na literatura foram calculados os índices de refração complexos de dois tipos de petróleo o Petrobaltic e o Romashkino [19]. Esses resultados possibilitaram a determinação do comprimento de onda com maior sensibilidade de detecção e as correntes geradas pelos

O material extraído por sua própria origem já traz água em meio ao petróleo. Além disso, uma das técnicas comumente usadas para melhorar a produtividade do poço e compensar o decaimento natural da produção é a injeção de água. Nessas condições a água e o óleo que são líquidos imiscíveis, sofrem uma grande agitação, propiciando o surgimento da emulsão, que é na verdade a dispersão em forma de gotículas de um líquido em meio ao outro [3]. Esse fenômeno é indesejado no processo de produção, pois aumenta a viscosidade do óleo e dificulta a identificação do nível da interface entre os dois fluidos [3]. O volume de água presente no petróleo é reduzido nos vasos separadores, como o ilustrado na Fig.1,instalados nas estações de extração. No caso dos vasos trifásicos a mistura gás-água-óleo é injetada no tanque e como esses elementos possuem diferentes densidades eles se separam por decantação. Este trabalho recebeu financiamento da FACEPE (Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco).

Fig.1. Vaso de Separação Trifásico.

fotodetectores utilizados no sistema de medição. O sistema proposto detecta a existência e a espessura da camada de emulsão, ilustrada na Fig.2 na forma de um gradiente entre o petróleo puro e a água. II. METODOLOGIA DE MEDIÇÃO A medição do nível da interface água-óleo é realizada por sensores baseados em capacitância [5], micro-ondas[6], [7], condutância[8], pressão [9] ou reflexão no domínio do tempo [10], entre outros. Entretanto, os sensores existentes apresentam pontos negativos a serem contornados. Os sensores de pressão e condutância, por exemplo, apresentam uma precisão da ordem de centímetros, que é aquém do desejável. Já os sensores baseados em micro-ondas, apresentam precisão milimétrica, mas não são capazes de identificar a presença de emulsão. Os sensores capacitivos e de reflexão no domínio do tempo, em função dos princípios de funcionamento, utilizam uma diferença de potencial elétrica, representam risco à segurança, uma vez que o meio é altamente explosivo. Uma alternativa pouco explorada é a utilização dos sensores ópticos [11]–[13]. Todavia, por necessitarem identificar mudanças na frequência da onda medida, esses sensores acabam possuindo um custo elevado. Os sensores baseados em reflexão podem ser utilizados na medição de líquidos [14]–[17], incluindo o óleo [16]. O sistema proposto neste trabalho é composto por uma haste metálica M, com diversas cabeças sensoras fixas, instalada no tanque conforme ilustrado na Fig.2. Cada cabeça sensora é a ponta de uma fibra ótica polida de índice n1, como apresentado em detalhes na Fig.2. A radiação refletida varia com o índice de refração do meio externo à fibra n2 que pode ser a água, o óleo ou a emulsão dependendo da posição da cabeça sensora. Por meio de um sistema de posicionamento, não apresentado na Fig.2, uma cabeça sensora móvel se desloca verticalmente entre duas pontas fixas A e B determinando com maior precisão o nível da interface h e a presença e espessura da emulsão. Conhecendo a potência refletida por cada cabeça sensora é possível traçar o perfil do índice de refração n2 em função da altura do tanque h e determinar a interface água-óleo. Para o sensor detectar os meios envolvidos é necessário que os índices de refração dos líquidos, no caso água e petróleo, sejam diferentes. A Fig.3 apresenta o índice de refração da sílica (fibra óptica - n1), da água e de dois tipos de petróleo o Romashkino e o Petrobaltico. Os índices da sílica e da água foram calculados através da equação de Sellmeier,

Fig.2. Técnicas de medição da Interface água óleo utilizando fibra óptica.

n (λ ) = A +

B

λ

2

+

C

(2)

λ4

e

κ (λ ) = D +

E

λ2

+

F

λ4

+

G

λ6

+

H

λ8

.

Um código Matlab foi utilizado para determinação dos coeficientes da equação de Cauchy (A, B, C, D, E ,F , G e H). O código recebe como entrada nove pontos experimentais obtidos por Otremba [19] com comprimentos de onda entre 350 e 750 nm. Utilizando uma regressão pelo método dos mínimos quadrados obtém-se os coeficientes da equação de Cauchy apresentados na Tabela I. As curvas dos índices de refração dos dois tipos de petróleo, apresentadas na Fig.3, foram obtidas pela equação de Cauchy (2) com os coeficientes determinados neste trabalho e os pontos são os valores obtidos na literatura [19]. De forma

1

 λ2 λ2 λ2  2  , n(λ ) = 1 + A1 2 + A2 2 + A3 2 λ − B1 λ − B2 λ − B3  

(3)

(1)

na qual os parâmetros A1, A2, A3, B1, B2 e B3 estão disponíveis, respectivamente, em [18] e [19]. Os índices de refração e os coeficientes de extinção do petróleo leve Petrobaltico e do petróleo pesado Romashkino são dados pelas equações de Cauchy, Fig.3. Índice de refração da Sílica, Água e dos tipos de petróleo Romashkino e Petrobaltico.

similar foram calculados os coeficientes de extinção para os dois tipos de petróleo, apresentados na Fig.4. TABELA I.

COEFICIENTES DA EQUAÇÃO DE CAUCHY Tipo de Petróleo

Coeficiente

Petrobaltico

Romashkino

1,469

1,492

A B

2,998 x 10

-3

-3,869 x 10-3

C

3,714 x 10-5

8,704 x 10-4

D

2,542 x 10-3

14,47x 10-3

E

-3,204 x 10-3

-12,12 x 10-3

F

1,427 x 10-3

3,958 x 10-3

G

-2,639 x 10-4

-4,27 x 10-4

H

-5

-5

1,758 x 10

1,541 x 10

Fig.5. Reflectância diferencial para o petróleo Romashkino e o Petrobaltico.

e

A fibra óptica escolhida para funcionar como cabeça sensora, ilustradas na Fig.2, é uma fibra monomodo e a radiação utilizada será gerada por um laser pigtail. Assim, o feixe atinge a interface fibra-líquido perpendicularmente e a reflectância da estrutura pode ser calculada por,

R=

(n (n

− n1 ) + (κ 2 − κ 1 ) , 2 2 + n1 ) + (κ 2 + κ 1 ) 2

2

2

2

(4)

na qual n1 e κ1 são as constantes ópticas da fibra, que possui κ1 desprezível, e n2 e κ2 são as constantes do meio externo que pode ser a água, o petróleo, ou a emulsão. Substituindo os valores das constantes ópticas da fibra em n1 e da água, do Petrobaltico e do Romashkino em n2 na equação (4) são determinadas as reflectâncias para as configurações Fibra-Água, Fibra-Petrobaltico e FibraRomashkino. A Fig.5 mostra a reflectância diferencial definida por,

RDif − Pet (λ ) = RPetrobaltico (λ ) − RÁgua (λ )

Fig.4. Coeficientes de extinção do petróleo Romashkino e Petrobaltico.

(5)

RDif − Rom (λ ) = RRomashkino (λ ) − R Água (λ ) , nas quais R Água (λ ) , RPetrobaltico (λ ) e RRomashkino (λ )

(6) são as

reflectâncias para as configurações Fibra-Água, FibraPetrobaltico e Fibra-Romashkino, respectivamente. A partir da Fig.5 observa-se que o comprimento de onda ótimo para detecção da interface água-petróleo dos dois tipos de óleo estudados neste trabalho é λótimo= 460nm. III. ARQUITETURA DO SENSOR A configuração óptica utilizada para excitação da fibra está ilustrada na Fig.6. No caminho direto a radiação acoplada à fibra, gerada por um laser, é dividida por um acoplador óptico de fibra fundida bidirecional 50/50. Metade da potência é enviada à ponta da fibra polida (cabeça sensora) e a outra metade é captada pelo fotodetector de referência, empregado para eliminar possíveis ruídos das fontes de alimentação. No caminho inverso, o sinal refletido na ponta da fibra polida (dividido pelo acoplador óptico) é captado pelo fotodetector de sinal. Essa potência refletida pode ser aplicada na determinação das constantes ópticas do meio. As constantes caracterizaram se a cabeça sensora esta na água, petróleo ou emulsão. A seguir apresentam-se os cálculos das perdas no caminho direto, inverso, a potência refletida na ponta da fibra polida e a corrente gerada nos fotodetectores, conforme configuração

Fig.6. Configuração óptica para excitação da ponta da fibra polida (cabeça sensora).

óptica da Fig.6.

A. Perdas no Caminho Direto Considerando a perda de acoplamento do conector LConec= 0,5 dB e a perda de acoplamento do acoplador LAcop= 3,7 dB, conforme folha de dados do fabricante, temos que a perda de acoplamento no sentido direto será LDireto = 2 LConec + LAcop = 4,7 dB .

(7)

Utilizando um laser de potência PLaser= 15 mW, a potência que irá chegar à ponta da fibra polida é dada por, PFibraPolid a =

PLaser ≈ 5mW . LDireto 10 10

(8)

Em função da simetria da configuração o valor da potência que chega ao fotodetector de referência é igual à potência da fibra polida PFibraPolida . B. Potência Refletida na Ponta da Fibra Polida O petróleo Romashkino possui menor reflectância diferencial, conforme ilustrado na Fig.5, sendo assim mais difícil de detectar quando comparado ao Petrobaltico. Assim, os cálculos dessa secção utilizam os valores do Romashkino. A reflectância diferencial do Romashkino para o comprimento de onda ótimo é RDif − Rom (λótimo ) = 1 x 10-5.Dessa forma, a diferença de potência refletida na ponta da fibra polida quando a fibra passa da água para o Romashkino é

∆PÁgua − Rom = RDif − Rom (λótimo ) PFibraPolid a = 10μW . Fibra

∆PÁgua − Rom = ∆PÁgua− Rom LInverso ≈ 3,4μW . Fibra

REFERÊNCIAS [1] [2] [3] [4]

[6] [7]

(10) [8] [9]

(11)

D. Corrente Gerada no Fotodetector de Sinal Dada a sensibilidade do fotodetector de sinal utilizado no comprimento de onda ótimo SSensor(λÓtimo) = 0,3A/W, a diferença de corrente gerada pela reflexão no petróleo Romashkino e na água é Detector Detector ∆I Água = ∆PÁgua S (λÓtimo ) ≈ 1μA . − Rom − Rom Sensor

No presente trabalho foi apresentado o projeto de um sistema óptico para medição do nível da interface águapetróleo em tanques separadores trifásicos. A detecção da interface foi realizada pela medição da radiação refletida na ponta de uma fibra polida, uma vez que os meios envolvidos possuem diferentes constantes ópticas. Utilizando o método dos mínimos quadrados e dados experimentais, disponíveis na literatura, foram calculados os índices de refração complexos em função do comprimento de onda de dois tipos de óleo, o Petrobaltico e o Romashkino. Os índices complexos foram empregados na determinação do comprimento de onda com maior sensibilidade de detecção. Apresentou-se ainda a configuração óptica da cabeça sensora e os cálculos para determinação das correntes geradas nos fotodetectores utilizados no sistema. Os valores das correntes geradas que foram calculadas mostram a viabilidade do sistema.

[5]

A diferença de potência óptica refletida que atinge o fotodetector de sinal, referente à reflexão no petróleo Romashkino e na água, é Detector

IV. CONCLUSÃO

(9)

C. Perdas no Caminho Inverso As perdas no acoplador e nos conectores são iguais às do caminho direto, ou seja, LInverso = 2 LConec + 2 LAcop = 4,7 dB .

se basear em um amplificador operacional com correntes de polarização e deslocamento da ordem de 1nA. Com isso, espera se obter, na saída do amplificador, uma tensão de operação na faixa de 1 a 5V, a qual, por sua vez será convertida em um sinal digital pelo sistema de medição.

[10] [11] [12]

(12)

[13]

Essa corrente diferencial pode ser detectada utilizando um circuito de amplificação e um sistema de medição. Devido à amplitude da corrente gerada, o circuito de amplificação deverá

[14]

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