Modelagem, simulação e controle de plantas solares térmicas com aplicações em EOR

Abstract

O método térmico de recuperação de petróleo, na qual é um método de recuperação avançada de petróleo (EOR, do inglês: enhanced oil recovery), foi uma das primeiras técnicas desenvolvidas para viabilizar a produção de campos maduros. Neste método, a energia é injetada em forma de calor para aumentar a temperatura do óleo, diminuindo a viscosidade e aumentando a mobilidade do fluido dentro do reservatório. Tradicionalmente, o vapor derivado da queima do gás natural através da geração de vapor é utilizado em poços injetores nessas jazidas, mas sua aplicabilidade tem sido limitada devido às regulamentações de proteção ambiental, além da flutuabilidade e do elevado preço do gás natural. Nos últimos anos, a tecnologia de concentração solar térmica tem sido considerada uma alternativa promissora para geração de vapor em operações de recuperação devido aos avanços tecnológicos que permitem menores custos associados à captura da energia solar. Nessas plantas de concentração solar, espelhos são usados para concentrar a luz solar em um receptor, no qual circula um fluido de transferência térmica que é então aquecido e junto a um sistema de geração de vapor produz vapor de alta temperatura, pressão e qualidade. Logo, ambos os processos se unem e constituem a recuperação térmica solar, uma nova tecnologia, a qual apresenta vantagens sobre as configurações tradicionais devido à sustentabilidade e a baixa geração de poluentes, impulsionando assim, o uso de fontes de renováveis. Nessa dissertação, são estudados o problema de controle e a viabilidade econômica de um sistema de recuperação térmica solar aplicado em campos maduros de petróleo. Os requisitos técnicos para a integração bem-sucedida deste sistema são a maximização da energia solar capturada no campo de coletores e a produção de vapor para atender a demanda dos poços injetores. O sistema de controle proposto considera estes objetivos através de uma abordagem descentralizada: (i) um controlador Proporcional Integrador (PI) com ação antecipativa é utilizado para controlar a temperatura do fluido de transferência térmica na saída do campo solar; e (ii) dois controladores Proporcionais Integradores Derivativos (PIDs) são utilizados para controlar o nível de líquido e pressão de vapor na saída do gerador de vapor. Resultados de simulação com dados reais de irradiação solar e temperatura ambiente são apresentados para ilustrar as eficiências da estratégia de controle proposta e da recuperação térmica solar, além de auxiliar na construção de uma análise econômica a partir do valor presente líquido que confirma o retorno financeiro do sistema.

Abstract: The thermal enhanced oil recovery method, which is an enhanced oil recovery (EOR) method, was one of the first techniques developed to enable the production of mature fields. In this method, energy is injected in the form of heat to increase the temperature of the oil, decreasing the viscosity and increasing the mobility of the fluid within the reservoir. Traditionally, steam derived from burning natural gas through steam generation is used in injection wells of these reservoirs, but its applicability has been limited due to environmental protection regulations, in addition to the variability and high prices of natural gas. In the last years, solar thermal concentration technology has been considered as a promising alternative for steam generation in recovery operations due to technological advances that allow lower costs associated with capturing solar energy. In these plants, mirrors are used to focus sunlight on a receiver, in which a heat transfer fluid circulates, which is then heated and together with a steam generation system, steam of high temperature, pressure and quality is produced. Therefore, both processes come together and constitute the solar thermal recovery system, a new technology, which has advantages over traditional configurations due to sustainability and low generation of pollutants, thus boosting the use of renewable sources. In this dissertation, the problem of control and economic viability of a solar thermal recovery system applied in mature fields are studied. The technical requirements for the successful integration of this system are the maximization of solar energy captured in the collector field and the production of steam to meet the demand of the injection wells. The proposed control system considers these objectives through a decentralized approach: (i) a PI controller with anticipatory action is used to control the temperature of the heat transfer fluid at the output of the solar field; and (ii) two PID controllers are used to control the liquid level and outlet steam pressure of the steam generator. Simulation results with real data of solar irradiation and ambient temperature are presented to illustrate the efficiency of the proposed control strategy and solar thermal enhanced oil recovery, in addition to support the net present value economic analysis that confirms the financial return.